土壤胶体化学和表面化学课件

第八章 土壤胶体表面化学第一节 土壤胶体 的表面类型与构造1一、硅氧烷型表面2二、水合氧化物型表面三、有机物表面34第二节土壤胶体表面性质5胶体成分内表面积外表面积总表面积蒙脱石700-75015-150700-850蛭

石400-7501-50400-800水云母0-590-15090-150高岭石05-405-40埃洛石010-4510-45水化埃洛石40025-30430水铝英石130-400130-400260-800一、土壤胶体的比表面（一）土壤胶体的表面积表8－2

土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2·g-1）我国几种主要土壤的比表面积：(二)比表面积的测定方法1、仪器法2、吸附法 氮气、甘油、乙二醇醚等总之：2：1型黏土矿物和有机质的含量越高，土壤的比表面积越大。6二、土壤胶体表面电荷7（一）土壤胶体电荷的种类1、永久电荷(permanent

charge)永久电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。2、可变电荷(variable

charge)随pH的变化而变化的土壤电荷，这种电荷称为可变电荷。可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团的解离：含水氧化硅的解离粘粒矿物的晶面上的OH-和H+的解离腐殖质上某些官能团的解离含水氧化和水铝石表面的分子中OH-的解离；

pH<

3.2从上述四种情况来看，土壤胶体所带的电荷数量和性质与介质的pH值有密切关系。8（二）电荷符号9土壤胶体表面电荷有正、负之分，黏土矿

物同晶置换一般是低价阳离子替代高价阳离子，这样产生的永久电荷多为负电荷。因此，大多

数土壤一般带净负电荷。而土壤中的游离氧化铁是土壤产生正电荷的主要物质；高岭石的铝氧八面体的裸露边面，在酸性条件下从介质中接受质子而使边面带正电荷。土壤的正电荷和负电荷的代数和就是土壤的净电荷。（三）土壤的电荷数量10土壤电荷的数量一般用每千克物质吸附离子的厘摩尔数来表示(cmol/kg)。1、土壤电荷主要集中在胶体部分。2、胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础，土壤胶体组成不同，其所带电荷的数量也不同。3、土壤胶体组分间的相互作用对电荷数量有影响。影响土壤电荷数量的因素主要有：11质地:

一般来说，土壤的质地越粘，土粒越细，其电荷总量也越多。所以粘土的电荷数量要比壤土类和砂土类高得多。土壤胶体的种类:土壤质地完全相同的两种土壤，它们所带的电荷数量可以完全不同。这是有胶体类型不同所致。pH值:主要影响可变电荷的数量。1213当静电引力与热扩散相平衡时，在带电胶体表面与溶液的界面上，形成了由一层固相表面电荷和一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布的空间结构，称为双电层***。三、土壤胶体表面电位图8－2双电层模型14Boltzmann方程Cx=Coexp()Gouy（1910）和Chapman（1913）提出的双电层模型ψx=ψo

exp(-K·x)式中

o为表面电位，k是与离子浓度、价数、介电常数和温度有关的常数。在室温下：k＝3×107

Z

·Co1/K称为扩散双电层的厚度

。离子价数越高，离子浓度越大，K值越大，双电层的厚度越小，因此，增加离子的价数和浓度，可使双层压缩.

15第三节 土壤胶体对阳离子的吸附与交换一、离子吸附的一般概念根据物理化学的反应，溶质在溶剂中呈不均一的分布状态，溶剂表面层中的浓度与溶液内部不同的现象称为吸附作用。凡使液体表面层中溶质的浓度大于液体内部浓度的作用称为正吸附，反之则称为负吸附.16二、阳离子静电吸附由库仑定律可知:土壤胶体表面所带的负电荷愈多，吸附的阳离子数量就愈多；土壤胶体表面的电荷密度愈大，阳离子所带的电荷愈多，则离子吸附得愈牢。M3+>M2+>M+Al3＋>Mn2＋>Ca2＋>K++

+

+

+Rb+>NH4

>K

>Na

>Li1、阳离子静电吸附17表8－4离子半径与吸附力一价离子Li+Na+K+NH+4Rb+离子的真实半径(nm)0.0780.0980.1330.1430.149离子的水合半径(nm)1.0080.7900.5370.5320.509离子在胶体上的吸附力弱

强18三、阳离子交换作用在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对这种能相互交换的阳离子叫做交换性阳离子，而把发生在土壤胶体表面的阳离子交换反应称之为阳离子交换作用。19阳离子交换作用是可逆反应。阳离子交换遵循等价交换的原则。阳离子交换符合质量作用定律。20阳离子交换作用的特征:CEC<1010~20>20保肥能力低中高四、土壤阳离子交换量(cation

exchangecapacity)-CEC是指土壤溶液为中性（

pH

=

7

）

时，每千克土壤吸附的一价离子的厘摩尔数称为土壤的阳离子交换量。（CEC：cmol(+)kg-1

）阳离子交换量是评价土壤肥力的一个指标。它直接反应土壤可以提供速效养分的数量，也能表示土壤保肥能力、缓冲能力的大小。21表8-35 不同类型土壤胶体的阳离子交换量22ol(+土壤胶体CEC[cm).kg-1]腐殖质200蛭

石100-150蒙脱石70-95伊利石10-40高岭石3-15倍半氧化物2-4***影响土壤阳离子交换量的因素有：23质地质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳离子交换量也越大。有机质

OM

%∞

CEC胶体的性质及构造 蒙脱石＞高岭石（

4

）

pH

值在一般情况下，随着pH

的升高，土壤的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。质地砂土砂壤土壤土粘土CEC1~57~815~1825~30五．盐基饱和度24（1）盐基离子与致酸离子在土壤里，被胶体吸附着的阳离子，可以分为两类：第一类是氢离子和铝离子，它们是致酸离子，与土壤的酸度有密切关系。第二类

是其他的一些金属离子，如

Ca

2+

、Mg2+、K+、NH4

……等，在普通化学上，它们+都称为盐基离子。（2）盐基饱和度(base

saturation

percentage)BSP在土壤胶体所吸附的阳离子中，交换性盐基离子的数量占阳离子交换量的百分数，叫盐基饱和度。盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应；而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤；×100%25六．交换性阳离子的有效度26影响交换离子有效度的因素主要有：（一）离子饱和度离子的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效度就越大（二）互补离子效应（三）黏土矿物类型（四）阳离子的固定表8-5互补离子与交换性钙的有效11.土壤交换性阳离子组成性小麦幼苗干重(g)小麦幼苗吸钙量(mg)40%2.ACa+60%H8015B40%Ca+60%Mg2.797.83C40%Ca+60%Na2.344.36在土壤胶体上各种交换性盐基离子之间的相互影响的作用—互补离子效应（陪伴离子效应）27七、阳离子的专性吸附28（一）阳离子专性吸附的机理2：1型层状硅酸盐矿物（蒙脱石、蛭石等）单元晶层上下两面都是硅氧四面体片，硅氧四面体片有六个四面体组成的六角形孔穴，这些孔穴的半径约

0.14

纳米，

K

+

、

NH

4

+

的半径为

0.纳米和0.143纳米，与孔穴大小相近，层间吸附的这些离子在土壤干燥脱水收缩时，很易被挤压陷入孔穴，与氧直接结合，

不易再交换出来，降低了对植物的有效性，这种现象又称晶穴固定。另一种情况，有些阳离子，如Pb2+、Cu2+、Zn2+、Hg2+等对氧化铁、铝胶体表面的氧原子有很强极化力，它们能穿过扩散层进入内层，取代氧化铁、铝胶粒表面OH基中的H+，与氧直接结合，成为氧化铁、铝本身化学组成的一部分。这种结合态的阳离子也不易被其他离子交换出来，成为非交换性阳离子，降低了有效性。•29

上述阳离子被层状硅酸盐矿物的晶穴固定作用，阳离子与氧化铁、铝胶体表面氧的结合作用，统称为阳离子的专性吸附。而土壤胶体专性吸附的金属离子均为非交换态，不能参与一般的阳离子交换反应,只能被亲和力更强的金属离子置换或部分置换，或在酸性条件下解吸。（二）影响阳离子专性吸附的主要因素1、pH值2、土壤胶体类型氧化锰>有机质>氧化铁>埃洛石>伊利石>蒙脱石>高岭石（三）阳离子专性吸附的意义:土壤和沉积物中的锰、铁、铝、硅等氧化物及其水合物，对多种微量重金属离子起富集作用，其中以氧化锰和氧化铁的作用更为明显。由于专性吸附对微量金属离子具有富集作用的特性，因此，正日益成为地球化学领域或地球化学探矿等学科的重要内容。30专性吸附在调控金属元素的生物有效性和生物毒性方面起着重要的作用。有试验表明，在被铅污染的土壤中加入氧化锰，可以抑制植物对铅的吸收。土壤是重金属元素的一个汇，对水体中的重金属污染起到一定的净化作用，并对这些金属离子从土壤溶液向植物体内迁移和累积起一定的缓冲和调节作用。另一方面，专性吸附作用也给土壤带来了潜在的污染危险。31第四节 土壤胶体对阴离子的吸附与交换（一）阴离子的静电吸附土壤中的阴离子依其吸附能力的大小可分为三类：1．易被吸附的阴离子 最重要的是：H2PO4-PO43-HSiO3-HPO42-SiO32-2．吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子-Cl-

NO3

NO2-

ClO4-3．中间类型的离子：SO4

CO32-

2-各种阴离子被土壤吸附的次序如下：F->草酸根>柠檬酸根>H

PO

->HCO

->HBO

->SO

2->Cl->NO32

-2

4

3

3

4

3（二）阴离子的负吸附所谓阴离子的负吸附，是指距带负电荷的胶体表面越近，阴离子数量越少的现象。负吸附现象也受土壤特性影响，其它条件相同，则负吸附现象随着土壤胶体的数量和阳离子代换量的增加而增加。但随陪伴阳离子价数的增加而减少，不同的粘粒矿物对负吸附的影响也不同，它们递减的次序为：蒙脱石＞伊利石＞高岭石这种情况也可归因于胶体负电荷数量不同的缘故。带负电荷愈多的土壤胶体，对阴离子的排斥作用愈强，负吸附作用愈明显。33三、阴离子专性吸附阴