ecture 06: आयन विनिमय, धनायन एवं ऋणायन विनिमय क्षमता तथा बेस संतृप्ति (Ion Exchange, Cation and Anion Exchange Capacity and Base Saturation) | Soil 111
आयन विनिमय, धनायन एवं ऋणायन विनिमय क्षमता तथा बेस संतृप्ति (Ion Exchange, Cation and Anion Exchange Capacity and Base Saturation)
विषय: मृदा विज्ञान के मूल सिद्धांत (Fundamentals of Soil Science — SOIL 111)
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- 2. अधिगम उद्देश्य (Learning Objectives)
- 3. प्रस्तावना (Introduction)
- 4. विस्तृत अध्ययन सामग्री (Detailed Notes)
- 5. वैज्ञानिक आरेख (Scientific Diagrams)
- 6. विजुअल माइंड मैप (Visual Mind Map)
- 7. फ्लोचार्ट एवं इन्फोग्राफिक्स (Flowcharts)
- 8. तुलनात्मक सारणियाँ (Important Tables)
- 9. व्यावहारिक अनुप्रयोग (Practical Examples)
- 10. सूत्र एवं संख्यात्मक गणनाएँ (Formulas & Numericals)
- 11. त्वरित पुनरावृत्ति (Quick Revision)
- 12. परीक्षा अभ्यास प्रश्न बैंक (Exam Practice: MCQs, FIB, Short, Long, PYQs)
- 13. उत्तर कुंजी एवं मॉडल व्याख्या (Answer Keys)
- 14. संबंधित व्याख्यान (Related Lectures)
अधिगम उद्देश्य (Learning Objectives)
इस व्याख्यान के गहन अध्ययन के पश्चात् विद्यार्थी निम्नलिखित वैज्ञानिक सिद्धांतों और संख्यात्मक गणनाओं में पूर्ण दक्षता प्राप्त करेंगे:
प्रस्तावना (Introduction)
पादप जगत में प्रकाश संश्लेषण (Photosynthesis) के बाद यदि प्रकृति की सबसे महत्वपूर्ण रासायनिक प्रक्रिया कोई है जिस पर संपूर्ण कृषि और मानव जीवन निर्भर करता है, तो वह है — मृदा में आयन विनिमय (Ion Exchange in Soils)! व्याख्यान 05 में हमने सीखा कि मृदा कोलाइडल कणों (क्ले एवं ह्यूमस मिसेल) की सतह पर शुद्ध ऋणात्मक आवेश और आंशिक धनात्मक आवेश पाए जाते हैं। ये आवेशित कोलाइडल सतहें मृदा विलयन में तैरते हुए विपरीत आवेश वाले आयनों (धनायनों व ऋणायनों) को अपनी सतह पर अस्थायी रूप से बाँध कर रखती हैं।
जब पौधों की जड़ें श्वसन करती हैं और मृदा विलयन में हाइड्रोजन आयन (H+) छोड़ती हैं, तो ये H+ आयन क्ले मिसेल की सतह पर जाकर वहाँ चिपके हुए कैल्शियम (Ca2+), मैग्नीशियम (Mg2+) या पोटेशियम (K+) आयनों को प्रतिस्थापित (Exchange) कर देते हैं, जिससे वे पोषक तत्व मृदा विलयन में आकर जड़ों द्वारा अवशोषित कर लिए जाते हैं। इस प्रकार आयन विनिमय ही वह सेतु है जो मृदा की ठोस प्रावस्था (Solid phase) को द्रव प्रावस्था (Soil solution) और पादप जड़ों से जोड़ता है।
मृदा में धनायन विनिमय की खोज सन् 1850 में इंग्लैंड के दो वैज्ञानिकों — एच.एस. थॉम्पसन (H.S. Thompson) और जे. थॉमस वे (J. Thomas Way) ने की थी। उन्होंने देखा कि जब अमोनियम सल्फेट [(NH4)2SO4] के विलयन को मिट्टी से भरे एक स्तंभ (Soil column) से गुजारा गया, तो नीचे से निकलने वाले पानी (Leachate) में अमोनियम (NH4+) गायब था और उसके स्थान पर ठीक तुल्यांकी मात्रा में कैल्शियम सल्फेट (CaSO4) बाहर निकला! इसी प्रयोग से सिद्ध हुआ कि मिट्टी ने NH4+ को रोक लिया और बदले में अपने Ca2+ को छोड़ दिया। इसलिए जे. थॉमस वे (J. Thomas Way) को ‘मृदा रसायन एवं आयन विनिमय अध्ययन का प्रणेता’ माना जाता है।
संपूर्ण अध्ययन सामग्री (Complete Textbook Study Material)
4.1 आयन विनिमय का अर्थ, प्रकार एवं अभिलक्षण (Meaning, Types and Characteristics of Ion Exchange)
यह दो प्रकार का होता है:
- धनायन विनिमय (Cation Exchange / Base Exchange): ऋणावेशित कोलाइड सतह पर अधिशोषित धनायनों (Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+, H+, Al3+) और मृदा विलयन के धनायनों के बीच आदान-प्रदान।
- ऋणायन विनिमय (Anion Exchange): धनावेशित कोलाइड सतह पर अधिशोषित ऋणायनों (H2PO4–, SO42-, NO3–, Cl–, OH–) और मृदा विलयन के ऋणायनों के बीच आदान-प्रदान।
आयन विनिमय अभिक्रियाओं के 4 मौलिक सिद्धांत एवं विशेषताएँ (Four Fundamental Principles of Ion Exchange)
- उत्क्रमणीयता (Reversibility): आयन विनिमय अभिक्रियाएँ पूर्णतः उत्क्रमणीय (Reversible — दोनों दिशाओं में चलने वाली) होती हैं।
- त्वरित गति (Speed / Instantaneous Rate): यह अभिक्रिया अत्यंत तीव्र गति से (लगभग तात्कालिक रूप से) संपन्न होती है; केवल क्ले की आंतरिक परतों (जैसे वर्मीकुलाइट) से आयनों के बाहर आने-जाने में थोड़ा समय लगता है।
- रससमीकरणमिति या रासायनिक तुल्यांक का नियम (Stoichiometry / Chemical Equivalence — सबसे महत्वपूर्ण नियम):
आयन विनिमय सदैव रासायनिक तुल्यांक (Chemical equivalents — आवेश के बदले समान आवेश) के अनुपात में होता है। अर्थात एक द्विसंयोजक कैल्शियम आयन (Ca2+ — जिस पर +2 आवेश है) को कोलाइड सतह से हटाने के लिए दो एकसंयोजक हाइड्रोजन या पोटेशियम आयनों (2H+ या 2K+) की आवश्यकता होती है, और एक त्रिसंयोजक Al3+ को हटाने के लिए तीन एकसंयोजक (3H+ / 3Na+) आयनों की आवश्यकता होती है। - द्रव्यमान क्रिया का नियम (Law of Mass Action):
यद्यपि प्रत्येक आयन की अपनी अंतर्निहित आकर्षण शक्ति होती है, फिर भी यदि मृदा विलयन में किसी कमजोर आकर्षण वाले आयन (जैसे Na+ या H+ या NH4+) की सांद्रता बहुत अधिक बढ़ा दी जाए, तो वह द्रव्यमान क्रिया के नियम (Mass Action) के कारण मजबूत बंधे हुए आयन (Ca2+) को भी कोलाइड सतह से बाहर विस्थापित कर देता है।
संपर्क विनिमय सिद्धांत (Contact Exchange Theory — Jenny and Overstreet, 1939)
हंस जेनी और ओवरस्ट्रीट (Jenny & Overstreet, 1939) ने प्रतिपादित किया कि पौधों की जड़ों द्वारा धनायनों के अवशोषण के लिए यह हमेशा आवश्यक नहीं है कि धनायन पहले मृदा विलयन में घुलें। जब पादप जड़ रोम (Root hairs — जिन पर पेक्टिन के कारण ऋणात्मक आवेश और अधिशोषित H+ आयन होते हैं) मृदा क्ले मिसेल के अत्यंत निकट आ जाते हैं, तो दोनों के विद्युत दोहरी परत के दोलन आयतन (Oscillation volumes of diffuse double layers) एक-दूसरे पर अतिव्याप्त (Overlap) हो जाते हैं और जड़ का H+ सीधे क्ले के K+/Ca2+ से बिना विलयन में गए अदला-बदली कर लेता है। इसे संपर्क विनिमय (Contact Exchange) कहते हैं।
4.2 लायोट्रोपिक श्रेणी या धनायन प्रतिस्थापन शक्ति का क्रम (Lyotropic Series / Relative Replacing Power of Cations)
समान मोलर सांद्रता होने पर सभी धनायन कोलाइडल सतह से एक समान मजबूती से नहीं चिपकते। किसी धनायन की कोलाइड सतह पर आकर्षण या प्रतिस्थापन शक्ति (Adsorption / Replacing Power) दो कारकों पर निर्भर करती है:
- आयन की संयोजकता या आवेश (Valency / Charge of Ion): कूलॉम्ब के नियम के अनुसार धनायन पर जितना अधिक धनात्मक आवेश होगा, वह ऋणावेशित कोलाइड से उतनी ही मजबूती से बँधेगा (अर्थात त्रिसंयोजक Al3+ > द्विसंयोजक Ca2+, Mg2+ > एकसंयोजक K+, NH4+, Na+)।
- जलयोजित आयनिक त्रिज्या (Hydrated Ionic Radius — समान संयोजकता होने पर): जब दो आयनों की संयोजकता समान होती है (जैसे K+ और Na+ दोनों +1 हैं), तब जिस आयन का जलयोजित आकार (Hydrated radius — जल के अणुओं के आवरण सहित आकार) छोटा होता है, वह कोलाइड की ऋणात्मक सतह के अधिक नजदीक पहुँच पाता है और अधिक मजबूती से बँधता है!
• रोचक वैज्ञानिक तथ्य: शुष्क (अजलयोजित) अवस्था में Na+ (0.095 nm) का आकार K+ (0.133 nm) से छोटा होता है, इसलिए Na+ पर आवेश घनत्व अधिक होने से वह अपने चारों ओर जल के बहुत अधिक अणु चिपका लेता है। परिणामस्वरूप जलयोजित अवस्था में Na+ का आकार (0.79 nm) जलयोजित K+ (0.53 nm) से बहुत बड़ा हो जाता है! इसीलिए Na+ क्ले सतह से सबसे कमजोर रूप से बँधता है और सबसे आसानी से बाहर निकल जाता है।
Al3+ > H+ (जैव-प्रभावी) > Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4+ > Na+ > Li+
• कोलाइड सतह पर सबसे मजबूत बँधने वाला सामान्य धनायन: Al3+ (और क्षारीय धनायनों में Ca2+)।
• कोलाइड सतह पर सबसे कमजोर बँधने वाला (और सबसे अधिक निक्षालित होने वाला) धनायन: Na+ (या Li+)।
4.3 धनायन विनिमय क्षमता (Cation Exchange Capacity — CEC)
CEC की इकाइयाँ एवं उनका पारस्परिक संबंध (Units of CEC — अति महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु)
- आधुनिक अंतर्राष्ट्रीय (SI) इकाई: सेंटीमोल धनात्मक आवेश प्रति किलोग्राम मृदा [cmol(p+) kg-1 या cmol(+) kg-1]।
- पारंपरिक (पुरानी CGS) इकाई: मिलीतुल्यांक प्रति 100 ग्राम ओवन-शुष्क मृदा (meq / 100 g soil)।
- संख्यात्मक समानता: दोनों इकाइयों का संख्यात्मक मान बिल्कुल बराबर (1 : 1) होता है! अर्थात:
1 cmol(p+) kg-1 = 1 meq / 100 g = 10 mmol(p+) kg-1।
मृदा के CEC को प्रभावित करने वाले 4 प्रमुख कारक (Factors Affecting Soil CEC)
- मृदा कणाकार / क्ले की प्रतिशत मात्रा (Soil Texture & % Clay): बालू और सिल्ट का CEC लगभग शून्य होता है। मृदा में क्ले की मात्रा जितनी अधिक होगी, उसका CEC उतना ही अधिक होगा। उदाहरण: बलुई मृदा (Sandy soil — जोबनेर/बीकानेर) का CEC केवल 2 से 5 cmol(p+) kg-1 होता है, दोमट मृदा का 10–20, और भारी काली क्ले मृदा (Vertisols — कोटा/महाराष्ट्र) का 35 से 60 cmol(p+) kg-1 होता है।
- क्ले खनिज का प्रकार (Nature / Type of Clay Mineral): समान क्ले प्रतिशत होने पर भी यदि मृदा में वर्मीकुलाइट (CEC 100–150) या मोंटमोरिलोनाइट (CEC 80–100) है तो CEC बहुत उच्च होगा, जबकि इलाइट (15–40) में मध्यम और काओलिनाइट (3–15) प्रधान लाल मृदा में बहुत कम होगा।
- मृदा कार्बनिक पदार्थ या ह्यूमस की मात्रा (Soil Organic Matter / Humus Content): ह्यूमस का CEC सभी कोलाइड्स में सर्वोच्च (150 से 300, औसत 200 cmol(p+) kg-1) होता है। मृदा में 1% कार्बनिक पदार्थ बढ़ने पर कुल मृदा CEC में लगभग 2 cmol(p+) kg-1 की वृद्धि होती है।
- मृदा अभिक्रिया या pH (Soil pH): मृदा का pH बढ़ने पर pH-निर्भर ऋणात्मक आवेश खुलने के कारण मृदा का कुल CEC बढ़ जाता है।
4.4 ऋणायन विनिमय एवं ऋणायन विनिमय क्षमता (Anion Exchange and AEC)
परिभाषा: अम्लीय मृदाओं में धनावेशित कोलाइड सतहों (मुख्यतः Fe व Al के हाइड्रस ऑक्साइड/सेस्क्विऑक्साइड, एलोफेन और काओलिनाइट के प्रोटॉनीकृत किनारे -AlOH2+) द्वारा धारण किए जा सकने वाले कुल विनिमय योग्य ऋणायनों की मात्रा [cmol(e–) kg-1] को ऋणायन विनिमय क्षमता (Anion Exchange Capacity — AEC) कहते हैं।
- मृदा pH के साथ AEC का संबंध: CEC के ठीक विपरीत, मृदा का pH घटने (अम्लता बढ़ने) पर AEC बढ़ता है और pH बढ़ने पर AEC घटता है। सामान्य भारतीय मृदाओं में AEC बहुत कम (0.1 से 2.0 cmol kg-1) होता है, किंतु अत्यधिक अपक्षयित उष्णकटिबंधीय अम्लीय मृदाओं (Oxisols, Ultisols, Andisols) में यह उच्च होता है।
- ऋणायनों की सापेक्ष अधिशोषण शक्ति का क्रम (Lyotropic Series for Anions):
H2PO4– (फॉस्फेट) ≥ SiO44- > MoO42- > SO42- (सल्फेट) > NO3– (नाइट्रेट) = Cl– (क्लोराइड)
कृषि निहितार्थ: फॉस्फेट (H2PO4–) कोलाइड सतह पर अत्यंत मजबूती से जुड़ता है (लिगैंड विनिमय / Inner-sphere complex), इसलिए मृदा से फॉस्फोरस का निक्षालन नहीं होता। इसके विपरीत, नाइट्रेट (NO3–) और क्लोराइड (Cl–) सबसे कमजोर रूप से जुड़ते हैं और वर्षा/सिंचाई के पानी के साथ तुरंत निक्षालित (Leach) हो जाते हैं।
4.5 प्रतिशत बेस संतृप्ति (Base Saturation), मृदा pH एवं बफरिंग क्षमता से संबंध (Percentage Base Saturation & Buffering Connection)
मृदा कोलाइडल संकुल (Exchange Complex) पर अधिशोषित सभी विनिमय योग्य धनायनों को दो समूहों में बाँटा जाता है:
- क्षार-निर्माणकारी धनायन या बेस धनायन (Base-forming or Basic Cations): Ca2+, Mg2+, K+ एवं Na+। (सामान्य उपजाऊ मृदा में इनका आदर्श अनुपात लगभग Ca2+ (60–75%) > Mg2+ (10–20%) > K+ (2–5%) > Na+ (< 1–3%) होता है)।
- अम्ल-निर्माणकारी धनायन या अम्लीय धनायन (Acid-forming or Acidic Cations): H+ एवं Al3+ (तथा AlOH2+)।
बेस संतृप्ति (PBS), मृदा pH और उभयप्रतिरोधी क्षमता (Buffering Capacity) का अंतर्संबंध
- PBS और मृदा pH में सीधा धनात्मक संबंध: जैसे-जैसे मृदा का PBS बढ़ता है, मृदा का pH भी बढ़ता है:
- अम्लीय मृदाएँ (Acid Soils, pH < 6.0): इनमें निक्षालन के कारण बेस धनायन बह जाते हैं और कोलाइड पर H+ व Al3+ का प्रभुत्व होता है; इनका PBS कम (< 50–60%) होता है।
- उदासीन एवं अर्ध-शुष्क मृदाएँ (Neutral to Slightly Alkaline Soils, pH 6.5–8.0): इनका PBS उच्च (80% से 95%) होता है और पादप पोषण के लिए यह सर्वोत्तम स्थिति है।
- शुष्क चूनायुक्त व क्षारीय मृदाएँ (Arid Calcareous & Alkali Soils, pH > 8.0 — जैसे राजस्थान में): इनका PBS लगभग 95% से 100% होता है।
- बफरिंग क्षमता (Buffering Capacity) से सीधा संबंध (Syllabus Note: “after buffering capacity”):
मृदा विलयन में अपने pH में होने वाले अचानक परिवर्तन का प्रतिरोध करने की शक्ति को बफरिंग क्षमता (Buffering Capacity) कहते हैं। यह बफरिंग शक्ति सीधे तौर पर कोलाइड पर अधिशोषित धनायनों (Exchangeable Reserve Pool — CEC एवं Base Saturation) द्वारा नियंत्रित होती है!
• जब मृदा विलयन में अम्ल (H+) मिलाया जाता है, तो विलयन के H+ आयन क्ले मिसेल पर जाकर बेस धनायनों (Ca2+/Mg2+) से विनिमय कर कोलाइड पर छिप जाते हैं और pH को गिरने नहीं देते।
• जब मृदा में चूना या क्षार (OH– / Ca2+) मिलाया जाता है, तो कोलाइड पर संचित H+/Al3+ (Reserve/Exchangeable acidity) विलयन में आकर उसे उदासीन कर देते हैं।
निष्कर्ष: जिस मृदा का CEC जितना अधिक होता है (अर्थात क्ले और ह्यूमस जितना अधिक होता है), उसकी बफरिंग क्षमता उतनी ही अधिक होती है, और उसका pH बदलने (अम्लीय मृदा में चूना या क्षारीय मृदा में जिप्सम डालने) के लिए उतनी ही अधिक सुधारक मात्रा की आवश्यकता होती है! (इसी प्रकार, समान pH और समान PBS होने पर भी 1:1 काओलिनाइट की तुलना में 2:1 मोंटमोरिलोनाइट अपनी परतों पर Ca2+ को अधिक मजबूती से पकड़े रखता है, इसलिए मोंटमोरिलोनाइट को समान pH प्राप्त करने के लिए उच्च बेस संतृप्ति की आवश्यकता होती है)।
वैज्ञानिक आरेख एवं शैक्षिक चित्रण (Scientific Diagrams and Educational Illustrations)
आरेख 5.1: पादप जड़ रोम (Root Hair), मृदा विलयन और ऋणावेशित क्ले मिसेल (Clay Micelle) के मध्य रससमीकरणमितीय धनायन विनिमय (2H+ ⇌ Ca2+)
आरेख 5.2: अम्लीय मृदा बनाम उदासीन/क्षारीय मृदा में बेस संतृप्ति (Base Saturation %) एवं मृदा pH संबंध
विजुअल माइंड मैप (Compulsory Lecture Visual Mind Map)
माइंड मैप 6.1: आयन विनिमय, CEC, AEC एवं बेस संतृप्ति का संपूर्ण अवधारणा मानचित्र
फ्लोचार्ट एवं इन्फोग्राफिक्स (Flowcharts and Process Infographics)
फ्लोचार्ट 7.1: प्रयोगशाला में 1 N अमोनियम एसीटेट (NH4OAc, pH 7.0) विधि द्वारा मृदा के CEC निर्धारण का चरणबद्ध प्रवाह
तुलनात्मक सारणियाँ (Scientifically Meaningful Comparison Tables)
सारणी 8.1: धनायन विनिमय क्षमता (CEC) एवं ऋणायन विनिमय क्षमता (AEC) में तुलनात्मक अंतर
| क्र.सं. | तुलना का आधार (Basis) | धनायन विनिमय क्षमता (Cation Exchange Capacity — CEC) | ऋणायन विनिमय क्षमता (Anion Exchange Capacity — AEC) |
|---|---|---|---|
| 1. | परिभाषा एवं आयन प्रकार | कोलाइड द्वारा धारण किए गए विनिमय योग्य धनायनों (Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+, H+, Al3+) के कुल तुल्यांकों का योग। | कोलाइड द्वारा धारण किए गए विनिमय योग्य ऋणायनों (H2PO4–, SO42-, NO3–, Cl–) के कुल तुल्यांकों का योग। |
| 2. | कोलाइडल आवेश का प्रकार | कोलाइड सतह पर उपस्थित ऋणात्मक विद्युत आवेश (Negative Charge) के कारण उत्पन्न होती है। | कोलाइड सतह पर उपस्थित धनात्मक विद्युत आवेश (Positive Charge) के कारण उत्पन्न होती है। |
| 3. | मृदा pH के साथ संबंध | मृदा का pH बढ़ने पर CEC बढ़ता है (धनात्मक सहसंबंध)। | मृदा का pH घटने (अम्लता बढ़ने) पर AEC बढ़ता है (ऋणात्मक सहसंबंध)। |
| 4. | प्रमुख जिम्मेदार कोलाइड | ह्यूमस, वर्मीकुलाइट, मोंटमोरिलोनाइट एवं इलाइट। | Fe व Al के हाइड्रस ऑक्साइड (सेस्क्विऑक्साइड), एलोफेन एवं काओलिनाइट। |
| 5. | सामान्य कृषि मृदाओं में परिमाण | उच्च परिमाण — सामान्यतः 5 से 60 cmol(p+) kg-1। | बहुत कम परिमाण — सामान्यतः 0.1 से 2.0 cmol(e–) kg-1 (केवल Oxisols/Andisols में उच्च)। |
| 6. | लायोट्रोपिक श्रेणी (चयन क्रम) | Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4+ > Na+ | H2PO4– > SO42- > NO3– = Cl– |
व्यावहारिक कृषि अनुप्रयोग एवं भारतीय/राजस्थान उदाहरण (Practical Agricultural Applications)
- क्षारीय/सोडिक मृदाओं (Sodic Soils, ESP > 15%) का जिप्सम द्वारा सुधार (Reclamation via Cation Exchange):
राजस्थान, हरियाणा, पंजाब और उत्तर प्रदेश की क्षारीय (उसरा/कल्लर) मृदाओं में क्ले मिसेल पर सोडियम (Na+) की अधिकता (ESP > 15%) हो जाती है जिससे मिट्टी की संरचना नष्ट हो जाती है। जब किसान खेत में जिप्सम (CaSO4·2H2O) मिलाकर पानी भरता है, तो लायोट्रोपिक श्रेणी में Ca2+ की प्रतिस्थापन शक्ति Na+ से बहुत अधिक होने के कारण Ca2+ क्ले सतह से दोनों Na+ आयनों को हटाकर स्वयं जुड़ जाता है और घुलनशील सोडियम सल्फेट (Na2SO4) जल के साथ रिसकर बाहर निकल जाता है। - जोबनेर/राजस्थान की रेतीली मृदाओं (Low CEC Soils) में उर्वरक प्रबंधन:
रेतीली और बलुई दोमट मृदाओं का CEC बहुत कम (3–6 cmol kg-1) और बफरिंग क्षमता कम होती है। यदि ऐसी मृदा में एक साथ भारी मात्रा में यूरिया या पोटाश डाल दिया जाए, तो एक्सचेंज कॉम्प्लेक्स पर जगह कम होने से अधिकांश पोषक तत्व सिंचाई जल के साथ निक्षालित हो जाते हैं। इसलिए कम CEC वाली मृदाओं में उर्वरकों को थोड़ी-थोड़ी मात्रा में कई बार (Split application) देना चाहिए और गोबर की खाद/वर्मीकम्पोस्ट डालकर मृदा का CEC बढ़ाना चाहिए। - पर्यावरण सुरक्षा और भू-जल शुद्धिकरण (Environmental Pollutant Filtering):
मृदा की धनायन विनिमय क्षमता भारी विषैली धातुओं — जैसे सीसा (Pb2+), कैडमियम (Cd2+), निकेल (Ni2+) और पारा (Hg2+) — को कोलाइड सतह पर अधिशोषित कर उन्हें पीने के भू-जल (Groundwater) में जाने से रोकती है।
महत्वपूर्ण सूत्र एवं हल सहित संख्यात्मक प्रश्न (Formulas & Solved Numerical Problems)
10.1 सभी परीक्षाओं के लिए अनिवार्य गणना सूत्र (Master Formulas for University & JRF Exams)
10.2 हल सहित संख्यात्मक प्रश्न (Solved Numerical Problems)
प्रश्न: एक मृदा नमूने के प्रयोगशाला विश्लेषण में निम्नलिखित विनिमय योग्य धनायन [cmol(p+) kg-1 में] पाए गए: Ca2+ = 12.0, Mg2+ = 4.0, K+ = 1.0, Na+ = 3.0, H+ = 2.0 तथा Al3+ = 3.0। गणना कीजिए: (a) मृदा का कुल CEC, (b) प्रतिशत बेस संतृप्ति (PBS %), (c) प्रतिशत अम्ल संतृप्ति, और (d) विनिमय योग्य सोडियम प्रतिशत (ESP %)।
हल (Step-by-step Solution):
• कुल विनिमय योग्य बेसिक धनायन (∑ Bases) = 12.0 (Ca2+) + 4.0 (Mg2+) + 1.0 (K+) + 3.0 (Na+) = 20.0 cmol(p+) kg-1
• कुल विनिमय योग्य अम्लीय धनायन (∑ Acids) = 2.0 (H+) + 3.0 (Al3+) = 5.0 cmol(p+) kg-1
• (a) कुल CEC = 20.0 + 5.0 = 25.0 cmol(p+) kg-1
• (b) प्रतिशत बेस संतृप्ति (PBS %) = (20.0 / 25.0) × 100 = 80.0%
• (c) प्रतिशत अम्ल संतृप्ति = (5.0 / 25.0) × 100 = 20.0% (या 100 – 80 = 20%)
• (d) विनिमय योग्य सोडियम प्रतिशत (ESP %) = (3.0 / 25.0) × 100 = 12.0%।
प्रश्न: यदि किसी खेत की पृष्ठ मृदा (0–15 cm, फरो स्लाइस भार = 2.0 × 106 kg ha-1) में विनिमय योग्य कैल्शियम (Ca2+) = 10 cmol(p+) kg-1 और विनिमय योग्य पोटेशियम (K+) = 0.5 cmol(p+) kg-1 है, तो प्रति हेक्टेयर मृदा में उपलब्ध विनिमय योग्य कैल्शियम और पोटेशियम का भार (kg ha-1 में) ज्ञात कीजिए। (परमाणु भार: Ca = 40, K = 39)।
हल (Step-by-step Solution):
• (i) कैल्शियम (Ca2+) के लिए:
– Ca2+ का तुल्यांकी भार = 40 / 2 = 20 g eq-1; अतः 1 cmol(p+) Ca2+ = 0.20 g = 200 mg kg-1 (ppm)
– 10 cmol(p+) kg-1 Ca2+ = 10 × 200 = 2000 mg kg-1 (ppm)
– चूँकि फरो स्लाइस भार 2.0 × 106 kg ha-1 है, इसलिए kg ha-1 = ppm × 2 = 2000 × 2 = 4000 kg Ca ha-1!
• (ii) पोटेशियम (K+) के लिए:
– K+ का तुल्यांकी भार = 39 / 1 = 39 g eq-1; अतः 1 cmol(p+) K+ = 390 mg kg-1 (ppm)
– 0.5 cmol(p+) kg-1 K+ = 0.5 × 390 = 195 mg kg-1 (ppm)
– अतः प्रति हेक्टेयर पोटेशियम = 195 × 2 = 390 kg K ha-1।
त्वरित पुनरावृत्ति एवं परीक्षा कैप्सूल (Quick Revision Points)
- धनायन विनिमय (Cation Exchange) की खोज: एच.एस. थॉम्पसन और जे. थॉमस वे (Thompson & Way, 1850)।
- संपर्क विनिमय सिद्धांत (Contact Exchange Theory): जेनी और ओवरस्ट्रीट (Jenny & Overstreet, 1939)।
- CEC की मानक SI इकाई: cmol(p+) kg-1 (जो संख्यात्मक रूप से पुरानी इकाई meq / 100 g के बराबर है)।
- धनायनों की लायोट्रोपिक श्रेणी (अधिशोषण शक्ति): Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4+ > Na+ > Li+।
- ऋणायनों की लायोट्रोपिक श्रेणी: H2PO4– > SO42- > NO3– = Cl–।
- सर्वाधिक CEC वाला मृदा घटक: ह्यूमस (150–300 cmol(p+) kg-1); और खनिजों में वर्मीकुलाइट (100–150 cmol(p+) kg-1)।
- प्रयोगशाला में मानक CEC निर्धारण अभिकर्मक: 1 N अमोनियम एसीटेट (CH3COONH4) विलयन, pH 7.0 पर (और चूनायुक्त/क्षारीय मृदाओं के लिए 1 N सोडियम एसीटेट, pH 8.2 पर)।
- सामान्य कृषि मृदाओं में सर्वाधिक पाया जाने वाला विनिमय योग्य धनायन: कैल्शियम (Ca2+ — कुल CEC का 60–75%)।
- प्रतिशत बेस संतृप्ति (PBS) का सूत्र: [∑(Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na+) / CEC] × 100।
- बफरिंग क्षमता और CEC का संबंध: मृदा का CEC जितना अधिक होगा, उसकी pH परिवर्तन को रोकने की बफरिंग क्षमता उतनी ही अधिक होगी।
संपूर्ण परीक्षा अभ्यास प्रश्न बैंक (Complete Examination Question Bank)
A. बहुविकल्पीय प्रश्न (Multiple Choice Questions — 20 MCQs)
प्रश्न 1. सन् 1850 में मृदा में धनायन विनिमय (Cation Exchange) परिघटना की सर्वप्रथम खोज किसने की थी?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: थॉम्पसन और जे. थॉमस वे (1850) ने अमोनियम सल्फेट के मिट्टी से निक्षालन प्रयोग द्वारा सर्वप्रथम धनायन विनिमय की खोज की।
प्रश्न 2. धनायन विनिमय क्षमता (CEC) की अंतर्राष्ट्रीय (SI) इकाई 1 cmol(p+) kg-1 पुरानी इकाई meq / 100 g के कितने मान के बराबर होती है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: 1 cmol(p+) kg-1 = 10 mmol(p+) / 1000 g = 1 meq / 100 g; दोनों का संख्यात्मक मान 1:1 बराबर होता है।
प्रश्न 3. लायोट्रोपिक श्रेणी (Lyotropic Series) के अनुसार कोलाइड सतह पर धनायनों की सापेक्ष अधिशोषण/प्रतिस्थापन शक्ति का सही घटता क्रम कौन-सा है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: उच्च संयोजकता और छोटी जलयोजित त्रिज्या के अनुसार Al3+ सबसे मजबूती से और Na+ सबसे कमजोर रूप से अधिशोषित होता है।
प्रश्न 4. क्ले मिसेल पर अधिशोषित एक द्विसंयोजक कैल्शियम आयन (Ca2+) को रससमीकरणमितीय (Stoichiometric) रूप से विस्थापित करने के लिए कितने H+ या K+ आयनों की आवश्यकता होगी?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: रासायनिक तुल्यांक नियम के अनुसार Ca2+ पर +2 आवेश होता है, जिसे संतुलित करने के लिए दो एकसंयोजक (2H+ या 2K+) आयन आवश्यक हैं।
प्रश्न 5. निम्नलिखित में से कौन-से धनायन समूह को ‘बेस-निर्माणकारी धनायन’ (Base-forming Cations) कहा जाता है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: Ca2+, Mg2+, K+, Na+ क्षारीय/बेस धनायन हैं जो बेस संतृप्ति बढ़ाते हैं, जबकि H+ और Al3+ अम्लीय धनायन हैं।
प्रश्न 6. यदि किसी मृदा की कुल धनायन विनिमय क्षमता (CEC) 20 cmol(p+) kg-1 है और उसमें विनिमय योग्य अम्लीय धनायनों (H+ + Al3+) का योग 5 cmol(p+) kg-1 है, तो उस मृदा की प्रतिशत बेस संतृप्ति (PBS %) कितनी होगी?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: बेसिक धनायन = 20 – 5 = 15 cmol(p+) kg-1। अतः PBS (%) = (15 / 20) × 100 = 75%।
प्रश्न 7. सामान्य उपजाऊ कृषि मृदाओं के विनिमय संकुल (Exchange Complex) पर सर्वाधिक मात्रा में पाया जाने वाला बेसिक धनायन कौन-सा है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: सामान्य मृदाओं में विनिमय योग्य धनायनों का क्रम Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ होता है।
प्रश्न 8. प्रयोगशाला में सामान्य उदासीन एवं अम्लीय मृदाओं के मानक CEC निर्धारण के लिए किस निष्कर्षक विलयन (Extractant) का उपयोग किया जाता है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: 1 N NH4OAc (pH 7.0) मानक CEC निर्धारण अभिकर्मक है (जबकि चूनायुक्त/क्षारीय मृदाओं के लिए 1 N NaOAc, pH 8.2 प्रयुक्त होता है)।
प्रश्न 9. एकसंयोजक धनायनों (K+ और Na+) में सोडियम (Na+) क्ले सतह पर सबसे कमजोर रूप से क्यों बँधता है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: जल के मोटे आवरण के कारण जलयोजित Na+ का आकार बड़ा हो जाता है और वह ऋणावेशित कोलाइड सतह के नजदीक नहीं पहुँच पाता।
प्रश्न 10. ऋणायन विनिमय (Anion Exchange) में निम्नलिखित में से किस ऋणायन की कोलाइड सतह पर अधिशोषण क्षमता सर्वाधिक होती है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: ऋणायनों की लायोट्रोपिक श्रेणी में H2PO4– > SO42- > NO3– = Cl– क्रम होता है।
प्रश्न 11. पादप जड़ों और क्ले मिसेल के बीच बिना मृदा विलयन के सीधे आयन आदान-प्रदान का ‘संपर्क विनिमय सिद्धांत’ (Contact Exchange Theory, 1939) किसने दिया था?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: हंस जेनी और ओवरस्ट्रीट (1939) ने जड़ और क्ले के दोलन आयतनों (Oscillation volumes) के अतिव्यापन से सीधे संपर्क विनिमय का सिद्धांत दिया।
प्रश्न 12. 1 cmol(p+) kg-1 (या 1 meq / 100 g) विनिमय योग्य कैल्शियम (Ca2+) कितने मिलीग्राम प्रति किलोग्राम (ppm) कैल्शियम के बराबर होता है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: Ca2+ का तुल्यांकी भार = 40/2 = 20; अतः 1 meq/100g = 20 mg / 100 g = 200 mg / 1000 g (200 ppm)।
प्रश्न 13. निम्नलिखित में से किस मृदा की उभयप्रतिरोधी क्षमता (Buffering Capacity) और धनायन विनिमय क्षमता (CEC) सर्वाधिक होगी?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: ह्यूमस (CEC 200) और मोंटमोरिलोनाइट (CEC 80–100) की अधिकता से मृदा का CEC और बफरिंग क्षमता सर्वाधिक होती है।
प्रश्न 14. जब किसी मृदा का विनिमय योग्य सोडियम प्रतिशत (ESP) 15% से अधिक हो जाता है, तो उस मृदा को क्या कहा जाता है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: ESP > 15% और pH > 8.5 होना क्षारीय/सोडिक मृदा की मानक पहचान है।
प्रश्न 15. मृदा का pH घटने (अम्लता बढ़ने) पर उसकी ऋणायन विनिमय क्षमता (AEC) पर क्या प्रभाव पड़ता है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: अम्लीय pH पर कोलाइड किनारों के प्रोटॉनीकरण (-AlOH2+) से धनात्मक आवेश बढ़ता है जिससे AEC बढ़ जाता है।
प्रश्न 16. समान प्रतिशत बेस संतृप्ति (जैसे 60% PBS) पर किस मृदा का pH अपेक्षाकृत अधिक होगा?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: 1:1 काओलिनाइट अपने pH-निर्भर आवेश पर H+ को कसकर बाँधे रखता है और Ca2+ को आसानी से विलयन में छोड़ता है, इसलिए कम बेस संतृप्ति पर भी इसका pH 2:1 मोंटमोरिलोनाइट से अधिक होता है।
प्रश्न 17. यदि किसी मृदा की प्रतिशत बेस संतृप्ति (PBS) 65% है, तो उसकी अम्ल संतृप्ति (Acid Saturation %) कितनी होगी?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: PBS (%) + Acid Saturation (%) = 100%; अतः अम्ल संतृप्ति = 100 – 65 = 35%।
प्रश्न 18. मृदा के जल निकास (Drainage water) में किस बेसिक धनायन का ह्रास (Leaching loss) सामान्यतः सर्वाधिक मात्रा में देखा जाता है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: सापेक्ष प्रतिशत के रूप में Na+ सबसे आसानी से निकलता है, जबकि कुल निरपेक्ष भार (kg/ha) के रूप में Ca2+ सर्वाधिक निक्षालित होता है क्योंकि एक्सचेंज कॉम्प्लेक्स पर इसकी मात्रा सर्वाधिक (60–75%) होती है।
प्रश्न 19. कार्बनिक कोलाइड (ह्यूमस) की औसत धनायन विनिमय क्षमता (CEC) लगभग कितनी होती है?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: ह्यूमस का CEC सभी मृदा घटकों में सर्वोच्च (150–300 cmol(p+) kg-1) होता है।
प्रश्न 20. यदि किसी मृदा का CEC 30 cmol(p+) kg-1 है और उसमें विनिमय योग्य Na+ = 6 cmol(p+) kg-1 है, तो उस मृदा का ESP कितना होगा?
✔ सही उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें
व्याख्या: ESP (%) = (Exchangeable Na+ / CEC) × 100 = (6 / 30) × 100 = 20%।
B. रिक्त स्थानों की पूर्ति कीजिए (Fill in the Blanks — 10 Questions)
- मृदा में धनायन विनिमय परिघटना की खोज सन् 1850 में __________ और जे. थॉमस वे ने की थी।
- आयन विनिमय अभिक्रियाएँ पूर्णतः __________ (Reversible) और रासायनिक तुल्यांक के अनुपात में होती हैं।
- धनायन विनिमय क्षमता (CEC) की आधुनिक SI इकाई __________ है।
- धनायनों की सापेक्ष प्रतिस्थापन शक्ति के क्रम को __________ श्रेणी (Lyotropic Series) कहते हैं।
- लायोट्रोपिक श्रेणी में कोलाइड सतह पर सबसे कमजोर रूप से जुड़ने वाला एकसंयोजक धनायन __________ (Na+) है।
- ऋणायनों में कोलाइड सतह पर सबसे प्रबल रूप से अधिशोषित होने वाला आयन __________ (H2PO4–) है।
- मृदा कोलाइड पर अधिशोषित H+ और Al3+ आयनों को __________ धनायन कहा जाता है।
- मृदा की प्रतिशत बेस संतृप्ति (PBS) बढ़ने पर मृदा का pH __________ (बढ़ता / घटता) है।
- मृदा का CEC जितना अधिक होता है, उसकी उभयप्रतिरोधी क्षमता (Buffering Capacity) उतनी ही __________ होती है।
- जड़ और क्ले मिसेल के बीच सीधे आयन आदान-प्रदान का ‘संपर्क विनिमय सिद्धांत’ __________ एवं ओवरस्ट्रीट (1939) ने दिया था।
C. अति लघु उत्तरीय प्रश्न (Very Short Answer Questions — 10 Questions)
- प्रश्न 1: धनायन विनिमय क्षमता (CEC) की एक-पंक्ति में परिभाषा लिखिए।
- प्रश्न 2: लायोट्रोपिक श्रेणी (Lyotropic Series) किसे कहते हैं?
- प्रश्न 3: बेसिक धनायनों और अम्लीय धनायनों के नाम लिखिए।
- प्रश्न 4: प्रतिशत बेस संतृप्ति (PBS %) का सूत्र लिखिए।
- प्रश्न 5: विनिमय योग्य सोडियम प्रतिशत (ESP %) का सूत्र लिखिए।
- प्रश्न 6: ऋणायनों के अधिशोषण का घटता क्रम लिखिए।
- प्रश्न 7: 1 cmol(p+) kg-1 पोटेशियम (K+) कितने मिलीग्राम प्रति किलोग्राम (ppm) के बराबर होता है?
- प्रश्न 8: संपर्क विनिमय सिद्धांत (Contact Exchange Theory) क्या है?
- प्रश्न 9: प्रयोगशाला में CEC मापने के लिए किस मानक विलयन और किस pH का उपयोग किया जाता है?
- प्रश्न 10: किस कार्बनिक कोलाइड का CEC सर्वाधिक होता है और कितना?
D. लघु उत्तरीय प्रश्न (Short Answer Questions — 8 Questions, 2–5 अंक)
- प्रश्न 1: धनायन विनिमय अभिक्रियाओं के चार प्रमुख अभिलक्षण (उत्क्रमणीयता, गति, रससमीकरणमिति व द्रव्यमान क्रिया नियम) समझाइए।
- प्रश्न 2: लायोट्रोपिक श्रेणी क्या है? स्पष्ट कीजिए कि K+ की तुलना में Na+ क्ले सतह से कमजोर क्यों बँधता है?
- प्रश्न 3: मृदा की धनायन विनिमय क्षमता (CEC) को प्रभावित करने वाले चार प्रमुख कारकों का वर्णन कीजिए।
- प्रश्न 4: ऋणायन विनिमय क्षमता (AEC) क्या है? कृषि में फॉस्फेट स्थिरीकरण और नाइट्रेट निक्षालन के संदर्भ में इसका महत्व समझाइए।
- प्रश्न 5: प्रतिशत बेस संतृप्ति (PBS) क्या है? मृदा pH और पादप पोषक तत्व उपलब्धता के साथ इसका संबंध स्पष्ट कीजिए।
- प्रश्न 6: मृदा की धनायन विनिमय क्षमता (CEC) और बेस संतृप्ति किस प्रकार मृदा की बफरिंग क्षमता (Buffering Capacity) को नियंत्रित करती हैं?
- प्रश्न 7: क्षारीय/सोडिक मृदाओं में जिप्सम (CaSO4·2H2O) द्वारा सुधार की धनायन विनिमय अभिक्रिया लिखिए।
- प्रश्न 8: जेनी और ओवरस्ट्रीट (1939) के संपर्क विनिमय सिद्धांत (Contact Exchange Theory) का सचित्र वर्णन कीजिए।
E. अंतर स्पष्ट कीजिए (Differentiate Between — 3 Questions)
- प्रश्न 1: धनायन विनिमय क्षमता (CEC) और ऋणायन विनिमय क्षमता (AEC) में अंतर स्पष्ट कीजिए। (सारणी 8.1 देखें)
- प्रश्न 2: बेस-निर्माणकारी धनायन (Basic Cations) और अम्ल-निर्माणकारी धनायन (Acidic Cations) में अंतर लिखिए।
- प्रश्न 3: कम CEC वाली बलुई मृदा और उच्च CEC वाली मटियार (Clay) मृदा के उर्वरक प्रबंधन में अंतर स्पष्ट कीजिए।
F. व्याख्या / टिप्पणी कीजिए (Explain / Describe Questions — 5 Questions)
- प्रश्न 1: “प्रकाश संश्लेषण के बाद धनायन विनिमय प्रकृति की सबसे महत्वपूर्ण रासायनिक प्रक्रिया है” — इस कथन की पुष्टि कीजिए।
- प्रश्न 2: द्रव्यमान क्रिया का नियम (Law of Mass Action) मृदा में आयन विनिमय को कैसे प्रभावित करता है? उदाहरण सहित समझाइए।
- प्रश्न 3: 1:1 काओलिनाइट और 2:1 मोंटमोरिलोनाइट में बेस संतृप्ति बनाम मृदा pH संबंध पर टिप्पणी लिखिए।
- प्रश्न 4: प्रयोगशाला में अमोनियम एसीटेट (pH 7.0) विधि द्वारा मृदा के CEC निर्धारण के चरण लिखिए।
- प्रश्न 5: पूरक आयन प्रभाव (Complementary Ion Effect) पादप पोषण को कैसे प्रभावित करता है?
G. दीर्घ उत्तरीय प्रश्न (Long Answer Questions — 5 Questions, 8–15 अंक)
- दीर्घ प्रश्न 1: आयन विनिमय (Ion Exchange) को परिभाषित कीजिए। मृदा में धनायन विनिमय की क्रियाविधि, इसके मौलिक सिद्धांतों, लायोट्रोपिक श्रेणी तथा कृषि और पादप पोषण में इसके महत्व का सविस्तार वर्णन कीजिए।
- दीर्घ प्रश्न 2: धनायन विनिमय क्षमता (CEC) एवं ऋणायन विनिमय क्षमता (AEC) से आप क्या समझते हैं? CEC को प्रभावित करने वाले कारकों का वर्णन करते हुए विभिन्न मृदा कोलाइड्स और मृदा कणाकार वर्गों के CEC मानों की तुलना कीजिए।
- दीर्घ प्रश्न 3: प्रतिशत बेस संतृप्ति (Percentage Base Saturation — PBS) को परिभाषित कीजिए। मृदा pH, अम्लीय/क्षारीय मृदा सुधार एवं मृदा की उभयप्रतिरोधी क्षमता (Buffering Capacity) के साथ बेस संतृप्ति और CEC के अंतर्संबंध की विस्तृत विवेचना कीजिए।
- दीर्घ प्रश्न 4: एक मृदा में निम्नलिखित विनिमय योग्य धनायन [cmol(p+) kg-1 में] पाए गए: Ca2+ = 15.0, Mg2+ = 5.0, K+ = 1.5, Na+ = 2.5, H+ = 3.0 और Al3+ = 3.0। इस मृदा के (i) कुल CEC, (ii) प्रतिशत बेस संतृप्ति, (iii) प्रतिशत अम्ल संतृप्ति, (iv) ESP, तथा (v) प्रति हेक्टेयर फरो स्लाइस में विनिमय योग्य कैल्शियम (kg ha-1) की गणना कीजिए एवं परिणामों की कृषि व्याख्या कीजिए।
- दीर्घ प्रश्न 5: मृदा में पादप जड़ों द्वारा पोषक तत्वों के अवशोषण में मृदा विलयन विनिमय और संपर्क विनिमय सिद्धांत (Contact Exchange Theory) की भूमिका को नामांकित चित्रों एवं समीकरणों की सहायता से समझाइए।
H. पूर्व परीक्षा प्रश्न एवं PYQ-पैटर्न अभ्यास प्रश्न (Previous Year & PYQ-Pattern Questions)
- [B.Sc. (Hons.) Ag. Semester-I Theory Exam Pattern — SOIL 111 (Long Question, 10 Marks)]:
“Define Cation Exchange Capacity (CEC) and Percentage Base Saturation. Discuss the factors affecting CEC of soils and its importance in agriculture.” - [B.Sc. (Hons.) Ag. Semester-I Theory Exam Pattern — SOIL 111 (Short Note / Numerical, 4–5 Marks)]:
“Write short notes on: (a) Lyotropic series (b) Anion Exchange Capacity (AEC) (c) Relationship between Base Saturation and Soil pH.” - [ICAR-JRF / Pre-PG Objective & Numerical Pattern]:
“Calculate Percentage Base Saturation of a soil having CEC of 25 cmol(p+) kg-1 and exchangeable H+ and Al3+ of 5 cmol(p+) kg-1. (Ans: 80%).”
उत्तर कुंजी एवं मॉडल उत्तर रूपरेखा (Complete Answer Keys & Model Explanations)
13.1 बहुविकल्पीय प्रश्नों (20 MCQs) की समेकित उत्तर तालिका
| प्रश्न | उत्तर | प्रश्न | उत्तर | प्रश्न | उत्तर | प्रश्न | उत्तर |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Q.01 | (B) थॉम्पसन एवं वे | Q.06 | (C) 75% | Q.11 | (B) जेनी एवं ओवरस्ट्रीट | Q.16 | (B) 1:1 काओलिनाइट मृदा |
| Q.02 | (B) 1.0 meq / 100 g | Q.07 | (C) कैल्शियम (Ca2+) | Q.12 | (C) 200 ppm | Q.17 | (B) 35% |
| Q.03 | (B) Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ | Q.08 | (B) 1 N NH4OAc (pH 7.0) | Q.13 | (C) ह्यूमस + मोंटमोरिलोनाइट | Q.18 | (B) Ca2+ एवं Na+ |
| Q.04 | (B) 2 आयन | Q.09 | (B) बड़ी जलयोजित त्रिज्या | Q.14 | (C) क्षारीय / सोडिक मृदा | Q.19 | (D) 150 से 300 (औसत 200) |
| Q.05 | (B) Ca2+, Mg2+, K+, Na+ | Q.10 | (C) H2PO4– (फॉस्फेट) | Q.15 | (B) AEC बढ़ता है | Q.20 | (C) 20% |
13.2 रिक्त स्थानों (10 Fill in the Blanks) की उत्तर कुंजी
- एच.एस. थॉम्पसन (H.S. Thompson)
- उत्क्रमणीय (Reversible)
- cmol(p+) kg-1 [सेंटीमोल प्रोटॉन आवेश प्रति किलोग्राम]
- लायोट्रोपिक (Lyotropic)
- सोडियम (Na+)
- फॉस्फेट (H2PO4–)
- अम्ल-निर्माणकारी / अम्लीय (Acid-forming / Acidic)
- बढ़ता (Increases)
- अधिक (Higher)
- हंस जेनी (Hans Jenny)
13.3 अति लघु एवं दीर्घ संख्यात्मक प्रश्नों (Sections 12C & 12G) के मॉडल उत्तर
📖 सभी 10 अति लघु उत्तरीय प्रश्नों (Section 12C) एवं दीर्घ प्रश्न 4 (Numerical) के हल देखें
- उत्तर 1: 1 किलोग्राम ओवन-शुष्क मृदा द्वारा एक निश्चित pH (7.0) पर धारण किए जा सकने वाले कुल विनिमय योग्य धनायनों के सेंटीमोल धनात्मक आवेशों [cmol(p+) kg-1] के योग को CEC कहते हैं।
- उत्तर 2: मृदा कोलाइड सतह पर विभिन्न धनायनों या ऋणायनों की सापेक्ष अधिशोषण एवं प्रतिस्थापन शक्ति के घटते या बढ़ते अनुक्रम को लायोट्रोपिक श्रेणी कहते हैं।
- उत्तर 3: बेसिक धनायन: Ca2+, Mg2+, K+, Na+; अम्लीय धनायन: H+ एवं Al3+।
- उत्तर 4: PBS (%) = [∑(Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na+) / Total CEC] × 100।
- उत्तर 5: ESP (%) = [Exchangeable Na+ / Total CEC] × 100।
- उत्तर 6: H2PO4– > SO42- > NO3– = Cl–।
- उत्तर 7: पोटेशियम का तुल्यांकी भार = 39; अतः 1 cmol(p+) K+ kg-1 = 39 × 10 = 390 mg kg-1 (ppm)।
- उत्तर 8: पादप जड़ रोम और क्ले मिसेल के दोलन आयतनों के अतिव्यापन से बिना मृदा विलयन में घुले सीधे आयनों का आदान-प्रदान होना संपर्क विनिमय कहलाता है।
- उत्तर 9: 1 N अमोनियम एसीटेट (CH3COONH4) विलयन, pH 7.0 पर।
- उत्तर 10: ह्यूमस (Humus) का — लगभग 150 से 300 (औसत 200) cmol(p+) kg-1।
• दीर्घ उत्तरीय प्रश्न 4 (Section 12G – Q.4) का पूर्ण हल:
- कुल बेसिक धनायन = 15.0 + 5.0 + 1.5 + 2.5 = 24.0 cmol(p+) kg-1; कुल अम्लीय धनायन = 3.0 + 3.0 = 6.0 cmol(p+) kg-1।
- (i) कुल CEC = 24.0 + 6.0 = 30.0 cmol(p+) kg-1।
- (ii) प्रतिशत बेस संतृप्ति (PBS %) = (24.0 / 30.0) × 100 = 80.0%।
- (iii) प्रतिशत अम्ल संतृप्ति = (6.0 / 30.0) × 100 = 20.0%।
- (iv) ESP (%) = (2.5 / 30.0) × 100 = 8.33% (चूँकि ESP < 15% है, अतः यह मृदा गैर-क्षारीय व उपजाऊ है)।
- (v) विनिमय योग्य कैल्शियम (kg ha-1 में): 15.0 cmol(p+) kg-1 × 200 ppm = 3000 ppm; तथा प्रति हेक्टेयर (2.0 × 106 kg फरो स्लाइस पर) = 3000 × 2 = 6000 kg Ca ha-1।
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व्याख्यान 05: मृदा कोलाइड्स पर आवेश के स्रोत (Sources of Charge on Soil Colloid — 1 Credit Hour)
व्याख्यान 07: मृदा निर्माण (Soil Formation — Factors of Soil Formation — 2 Credit Hours)
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