土壤胶体及其对离子的吸附交换作用课件

土壤胶体及其对离子的吸附交换作用,8.1 土壤胶体,8.2 土壤胶体对离子的吸附作用,第八章土壤胶体及其对离子的吸附交换作用,8.1 土壤胶体,土壤胶体是土壤中最细小、最活跃的部分,土壤胶体是土壤肥力性状赖以表现的物质基础中最精华的部分,土壤胶体的组成和性质对土壤的理化性质，如土壤的吸附性、酸碱性、 缓冲性以及土壤结构都有很大的影响,土壤肥力的高低与土壤胶体的组成、数量和性质密切相关,土壤胶体的形成过程也是土壤形成过程的反映,由于土壤形成条件的不同，土壤的胶体类型、含量和性质均有较大的差异,本章将着重讨论对土壤肥力影响较大的土壤胶体的组成、结构、性质及 其相关的离子交换性的一般规律,第八章土壤胶体及其对离子的吸附交换作用,8.1 土壤胶体,任何胶体系统都是一种分散系统，而分散系统通常由两种物质所组成， 一种物质的分子呈连续分布状态，称为分散介质； 另一种物质的分子是不连续的，称为分散相，,8.1.1. 1 土壤胶体是一种分散系统,分散相均匀地分散在分散介质中，构成胶体分散系统。,土壤本身就是一个复杂的多元分散系统。,在一般情况下，是把土壤固相颗粒作为分散相，而把土壤溶液和土壤 空气看做分散介质。,8.1.1 土壤胶体的概念,8.1 土壤胶体,第八章土壤胶体及其对离子的吸附交换作用,8.1.1. 1 土壤胶体是一种分散系统,8.1. 1. 2 土壤胶体的大小范围,一般胶体是指作为分散相的那些细小颗粒,其大小的上限是0.1 m, 下限为1 nm(1 nm属于溶液范围),土壤胶体的大小范围与通常所指的胶体有所不同,一般将其上限规定为0.001 mm, 即1 m，这比一般胶体大10倍,这样大小的颗粒已明显表现出胶体性质，如 黏粒又称为胶粒。,8.1.1 土壤胶体的概念,8.1 土壤胶体,8.1.1 土壤胶体的概念,8.1.2 土壤胶体的种类,81. 2. 1 有机胶体,81. 2. 2 无机胶体,81. 2. 3 有机无机复合胶体,8.1 土壤胶体,8.1.2 土壤胶体的种类,81. 2. 1 有机胶体,腐殖质：是土壤中含有的一类分子量大、结构复杂的高分子 化合物，具有明显的胶体性质，故称之为土壤有机胶体。,高分子化合物：土壤中还有少量的蛋白质、多肽、氨基酸以 及多糖类高分子化合物也具有胶体的性质,大量的微生物：它们本身也具有胶体性质，是一种生物胶体,8.1 土壤胶体,8.1.2 土壤胶体的种类,81. 2. 1 有机胶体,81. 2. 2 无机胶体（无机胶体又称矿质胶体）,（1）层状铝硅酸盐矿物,（2）无定形氧化物,无机胶体比有机胶体高几倍到几十倍,土壤中黏粒(d0.001mm)的含量来反映土壤无机胶体的数量 （与土壤质地有关）,土壤中无机胶体的数量和组成对土壤的理化性质影响较大,81. 2. 2 无机胶体,(1)层状铝硅酸盐矿物,11型的高岭石类、21型的蒙脱石类及水化云母类。,单位晶胞小，形成的颗粒较大, 其胶体的分散度低, 胀缩性、 黏性和吸收容量小电荷数量也少,结晶的晶胞较大, 而形成的颗粒较小, 其胶体分散度高,胀缩 性、黏性和吸收容量都较大、电荷数量也多。（同晶代换）,11型的高岭石矿物:,21型蒙脱石类矿物:,(2)含水氧化物类胶体,81. 2. 2 无机胶体,H2SiO3(SiO2nH2O) H+ + HSiO3-2 H+ + SiO32-,胶体带负电,随pH值升高, 负电荷数增 加,（无定形氧化硅的水合物）,聚合过程：即从单体水溶胶水凝胶干凝胶最终形成类似 蛋白石的脆性物质。向稳定状态转化。溶胶或凝胶，都是一 种活性很高的吸附剂。,无定形氧化硅被看做酸胶基，它与氧化铁、铝等碱胶基相互作 用是形成土壤黏粒矿物的途径之一。,其交换量增 加, 含水氧化硅胶体。, 含水氧化铁、铝胶体,两性胶体：,土壤结构、土壤酸碱性、土壤缓冲性,含水氧化铝胶体是矿物风化而来的，有晶态的，也有非晶态的，,含水氧化铁、铝在土壤中多以结晶态的矿物存在,最常见的铁氧化物是针铁矿和赤铁矿，还有磁赤铁矿、磁铁矿、纤铁矿 和氢氧化铁或水铁矿等。,Al2O3Al(OH)3、AlOOH是晶态,无定形铝主要是羟基铝及其聚合物，Al3+在溶液中可形成较大的OH-Al聚 合物呈溶胶状,酸性条件下(一般pH5)带正电,碱性条件下可带负电,存在形式：黏膜包被、溶胶、形成结晶小颗粒,存在形式：黏膜包被、溶胶、形成结晶小颗粒,（影响因素： pH、温度、有机质和Fe2+的浓度）,对土壤影响,(2)含水氧化物类胶体,8.1 土壤胶体,8.1.2 土壤胶体的种类,一般把土壤的有机-无机复合体中含碳量占土壤总碳量的百分数称为有机无机复合度, 作为衡量土壤有机-无机复合体的数量指标,作用：改善土壤的理化性质,腐殖质稳定性,改变(或改善）矿质颗粒表面性质,黏性、塑性要弱,表面积和代换量小于两者之和，不具有加和性。,水稳性要比单纯的矿质团聚体高,对土壤的结构性、通透性、耕性等产生重要影响,81. 2. 1 有机胶体,81. 2. 2 无机胶体（无机胶体又称矿质胶体）,81. 2. 3 有机无机复合胶体,土壤中的有机胶体和无机胶体通过物理、化学或物理化学的作用，相互结合在 一起形成有机无机复合体。,有机无机复合胶体,一般把有机无机复合体分为G0、G1、G2组,G1组：,可用中性NaCl溶液拆开,G2组：,只能用稀碱溶液或研磨处理才能分开。,近根的团聚体主要由G2构成,腐殖质和活性二三氧化物含量较高,离根较远区域主要由G1构成,G0组：,在G1组中往往混有一部分能直接分散于水中的“非团聚化细土”， 故把它称为G0组。,胶体微粒,8.1 土壤胶体,8. 1.3 土壤胶体（胶体微粒）的基本构造,8.1.2 土壤胶体的种类,8. 1.1 土壤胶体的概念,微粒核,决定电位离子层,补偿离子层,非活性补偿离子层,扩散层,电位：从胶粒(滑动面)到溶液的电位差称电动电位(用表示), 电位是表现双电层特性的重要指标, 可以测定出来。,离子价数低，离子的水化程度越大，则水化半径也越大，扩散层也越厚。 一般来说，扩散层越厚，电动电位越高，胶粒的电性也就显示得越充分。,离子价数愈高，其水化半径愈小，扩散层愈薄，电动电位越低。,8.1 土壤胶体,8. 1.4 土壤胶体的基本性质,8.1.2 土壤胶体的种类,8.1.3 土壤胶体（胶体微粒）的基本构造,8. 1.1 土壤胶体的概念,81. 4. 1 胶体的表面积和表面能,81. 4. 2 土壤胶体的带电性,8.1.4 土壤胶体的基本性质,81. 4. 1 胶体的表面积和表面能,比表面是指单位质量的物质的表面积总和,即比表面总面积 / 质量,球形土粒比表面：,比表面4 r2(4/3r32.65) 1.13/r(cm2/g),比表面和颗粒半径成反比,表面能是指界面上的物质分子(表面分子)所具有的多余的不饱和能量。,比表面积愈大，表面能愈大。表面能的大小与比表面呈正相关，表面能愈高，产生的物理吸附作用就愈强。,8.1.4 土壤胶体的基本性质,81. 4. 1 胶体的表面积和表面能,81. 4. 2 土壤胶体的带电性,可以通过电泳现象，观察到土壤胶体带电的事实,永久电荷和可变电荷,（1）同晶代换,土壤电荷的来源,（2）矿物晶格断键,高岭石伊利石蒙脱石,21型的粘粒矿物同晶代换产生的永久负电荷较多,（3）表面分子的解离,介质的pH值（pH值在59之间）发生变化时, 就有不同程度的解离,OH基,羟基、酚羟基,羧基,硅酸胶体、氧化铁、铝等,层状铝硅酸盐的内外表面,8.1.4 土壤胶体的基本性质,81. 4. 3 土壤胶体的凝聚和分散,81. 4. 2 土壤胶体的带电性,81. 4 . 1 胶体的表面积和表面能,溶胶：分散相均匀地分散在介质中, 称溶胶。,凝胶：分散相在外因的作用下, 相互凝结聚合在一起, 称为凝胶。,补偿作用,水化半径,凝聚力的大小，可排成如下顺序：,Fe3+ Al3+ H+Ca2+ Mg2+ NH4+ K+ Na+,溶液中的离子浓度对胶体的分散和凝聚的影响也是很大的,影响胶粒静电斥力大小的另一主要因素是胶粒静电荷的数量， 而静电荷的数量则受补偿作用的控制,二价以上的阳离子，其水化半径又较小，对土壤胶体所带的负电荷的补偿 作用就大, 这样胶粒的剩余电荷就较少，胶粒间的静电斥力大大减小，甚至 接近于零,8.2 土壤胶体对离子的吸附作用,8.2.1 土壤胶体吸附性的含义,8.2.2 土壤吸附性的类型及其意义,8.2 土壤胶体对离子的吸附作用,8.2.1 土壤胶体吸附性的含义,它主要是吸收(附)并保持土壤溶液中的离子、分子以至一 些悬浮物质的性质。,人们在长期的实践过程中，早就发现并利用土壤的吸附性。,土壤的吸附性：就是土壤能吸附并保持一些物质的性质。,农民施用化肥如铵态氮肥随水施入土壤, 并不担心化肥随 水流失, 化肥可保存在土壤中逐渐被植物吸收利用,土壤的吸收性对土壤性状的影响是全面而深刻的，直接反 应了土壤肥沃性的高低。,8.2 土壤胶体对离子的吸附作用,8.2.1 土壤胶体吸附性的含义,8.2.2 土壤吸附性的类型及其意义,82. 2. 1 机械吸附,82. 2. 2 物理吸附,82. 2. 3 化学吸附,82. 2. 5 物理化学吸收(附),82. 2. 6 阳离子吸附,82. 2. 7 阴离子吸附,82. 2. 4 生物吸附,8.2.2 土壤吸附性的类型及其意义,82. 2. 1 机械吸附,机械吸附是指土壤对进入其中的固体物质的机械阻留作用。,82. 2. 2 物理吸附,物理吸附是指借助于土壤表面张力而吸附在土壤颗粒表面的物质分子。,吸附对象主要是：有机化合物分子，如肥料中的尿素、氨基酸、醇类、有机碱以及农药制剂中的一些分子，气体的NH3、CO2。,物理吸附的力主要是分子间的引力，其吸附力较弱，它不能对表面张力大的无机酸、 无机盐类进行吸附。,82. 2. 3 化学吸附,化学吸附是指进入土壤溶液的某些成分经过化学作用, 生成难溶性化合物或沉淀,在土壤中易发生化学吸收的部分主要是土壤溶液中的阴离子，如： PO43-、HPO42-、H2PO4- 、SiO32-、HSiO3-、CO32-、SO42- 、C2O42等。,大大降低了营养物质的有效性,8.2.2 土壤吸附性的类型及其意义,82. 2. 4 生物吸附,生物吸收是指借助于生活在土壤中的生物(包括植物、微生物和一些小动物)的生命 活动, 把有效性养分吸收、积累、保存在生物体中的作用，又称为养分生物固定。,3个特点：,(1)选择性,(2)表聚性,(3)创新性,82. 2. 5 物理化学吸收(附),物理化学吸附是发生在土壤溶液和土壤胶体界面上的一种物理化学反应, 土壤胶体 借助于极大的表面积和电性, 把土壤溶液中的离子吸附在胶体的表面上而保存下来。,土壤的物理化学吸附主要是对阳离子的吸附。,按照吸附的离子种类可分为 ：阳离子吸附和阴离子吸附。,（1） 阳离子吸附,8.2.2 土壤吸附性的类型及其意义,土壤中常见的吸附性阳离子有： Ca2+、Mg2+、Na+、K+、NH4+、Fe3+、Fe2+、Al3+和H+等。,盐基离子,盐基饱和度,盐基饱和度交换性盐基量(mmol/kg)/阳离子交换量(mmol/kg,盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应,水稻土壤中, NH4+有时占有较大的比例。,能被土壤胶体吸附而又能交换下来的养分称为交换态养分,盐基不饱和的土壤则呈酸性反应,中性：Ca2+和Mg2+占有较大的数量和比例,碱性：土壤中, Na+和K+所占的比例较大,酸性：H+和Al3+等致酸离子较多,8.2.2 土壤吸附性的类型及其意义,（2）阴离子吸附,某些胶体或胶体的局部也可带正电荷可以吸附阴离子，发生阴离子吸附作用。,pH值低于等电点,两性胶体（含水氧化铝、铁腐植酸中的氨基(-NH2)带正电）,易被土壤吸附的,如 PO43-、HPO42-、H2PO4-、SiO32-HSiO3-