土壤学 第7章土壤胶体化学和表面反应.ppt

第六章提问名词解释土壤呼吸呼吸商气体扩散Eh土壤通气性土壤热容量土壤导热率土壤热扩散率土壤热状况问答题1 土壤空气的组成有何缺点 2 土壤通气性对土壤肥力有何影响 3 土壤Eh的意义是什么 4 如何调节土壤的通气性 第七章土壤胶体化学和表面化学 Colloidalandsurfacechemistryofsoils 本章要求要求深刻理解和熟练掌握的重点内容有 1 土壤胶体的表面性质 2 土壤表面电荷和电位3 土壤胶体对阳离子的吸附与交换特性 4 土壤对阴离子的吸附与交换特性 5 土壤对阳离子和阴离子的专性吸附特性和意义 6 土壤吸收性能的重要性 要求一般理解和掌握的内容有 土壤胶体的电位 难点 正吸附 负吸附 专性吸附 胶体的表面类型 本章内容 第一节土壤胶体的表面性质第二节土壤的阳离子交换第三节土壤胶体对阴离子的吸附与交换 土壤胶体的概念 胶体的概念 一种或数种物质的微小颗粒均匀地分散于另一种物质中 便构成分散体系 均匀分散的颗粒称为分散相颗粒 分散相颗粒的粒径在1 100nm 毫微米 范围的分散相体系 称为胶体分散体系 其中的分散相颗粒就是胶体颗粒 一般指土壤粘粒 其粒径在1 2微米之间 1000 2000毫微米 比一般规定的胶体粒级大10 20倍 严格说来 土壤胶体是一种准胶体 土壤胶体 土壤胶体概念胶体 分散质粒子在1 100nm之间的分散系 胶体的基本特性 一 具有巨大的比表面和表面积二 带电性三 分散性和凝聚性 第一节土壤胶体的表面性质 一 土壤胶体表面类型硅氧烷型表面 Si O Si 疏水表面 永久电荷水合氧化物表面 M OH及硅酸盐矿物的边缘暴露的 亲水表面 可变电荷有机物表面 COOH OH NH2 亲水表面 可变电荷 Serpentine 1 1trioctahedralmineral tet oct 1 1型的晶层 tet oct tet Talc 2 1trioctahedralmineral 2 1型的晶层 蒙托石的矿物结构 二 土壤胶体的比表面 specificsurfacearea 单位质量土壤的总表面积 m2kg 1 土壤中常见粘土矿物的比表面积 我国几种主要土壤的比表面积 砖红壤60 80m2 g 1红壤100 150m2 g 1黄棕壤200 300m2 g 1 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型粘土矿物和有机质的含量越高 土壤的比表面积越大 三 土壤表面电荷和电位 一 电荷种类永久电荷 permanentcharge 1 定义 在粘土矿物形成过程中由同晶替代作用产生的电荷 负电荷 2 特点 只存在于层状铝硅酸盐粘土矿物中 电荷数量与土壤现有条件 pH 无关 可变电荷 variablecharge或pH dependentcharge 1 定义 由环境条件特别是土壤pH的变化而产生的电荷 负电荷或正电荷 2 途径 A 脱氢作用 deprotonation 2OH 腐殖质 脱氢作用 deprotonation COO O H2O 腐殖质 B 质子化作用 protonation 3 特点 负电荷的数量随pH的升高而增加 正电荷的数量随pH的降低而增加 多发生在水化氧化物类 高岭类和腐殖质中 可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团的解离 A 含水氧化硅的解离B 粘粒矿物的晶面上的OH和H的解离C 腐殖质上某些官能团的解离D 含水氧化物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 二 土壤的电荷数量 土壤的电荷数量 每千克土壤吸附离子的厘摩尔数 二 土壤的电荷数量 1 土壤电荷主要集中在胶体部分 占80 2 胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础 3 有机胶体和无机胶体的电荷具有非加和性 影响土壤电荷数量的因素主要有 C pH值主要影响可变电荷的数量 B 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 质地土壤的质地越粘 土粒越细 其电荷总量越多 胶核 补偿离子层 双电层 三 土壤胶体表面电位 胶体结构 胶体微粒 胶核 双电层 决定电位离子层 内 补偿离子层 外 非活性离子层 扩散层 土壤胶粒结构 三 土壤胶体双电层结构和表面电位 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 图8 2 图8 2双电层模型 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 双电层中距离胶核表面x处的电位 表面电位k 常数k 3 107ZC0Z 反号离子的价数C0 粒间溶液 本体溶液 中反号离子的浓度1 k 双电层的厚度 第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换作用 一 离子吸附 ionadsorption 的一般概念 一 概念 根据物理化学的反应 胶体在溶剂中呈不均一的分布状态 固体颗粒表面的离子浓度与溶液内部不同的现象称为吸附作用 二 离子吸附的类型 正吸附 距离胶体表面越近溶质浓度越高的现象 负吸附 距离胶体表面越近溶质浓度越低的现象 离子浓度 距离胶体表面的距离 三 阳离子吸附 静电吸附 electrostaticadsorption 下面详细讨论 二 阳离子交换 一 阳离子交换作用 cationexchange 1 交换性阳离子 exchangeablecation 吸附在土壤胶体上 且能被其它阳离子代换下来的阳离子 二 阳离子交换 2 阳离子交换 代换 作用 土壤溶液中的阳离子与土壤胶体上吸附的另一种阳离子发生位置互换的作用 1 吸附作用 2 解吸作用 release Mg Ca Mg Ca Mg Ca Ca Mg H H H H 土壤胶体 土壤溶液 Ca Mg Ca Mg Ca Ca Mg H H H H Mg2 土壤胶体 土壤溶液 3 阳离子交换作用的特点 1 可逆的 reversible 2 等价交换 equivalent 例如 40mg的Ca2 能代换多少Na 或K 代换Na 23 2 46mgNa 代换K 39 2 78mgK 3 受质量作用定律支配 massaction 4 影响交换性阳离子交换能力的大小的因素 1 电荷数量 电价 Al3 Ca2 Na 2 离子的大小 水化半径 离子大小与代换力 表8 2离子半径与吸附力 弱 强 交换能力 土壤中常见阳离子的代换力顺序 提高离子的浓度能提高离子与胶体上离子的碰撞机率 从而提高其代换力 3 离子的浓度 concentration 离子电价与浓度的共同作用 定比定律 ratiolaw 左边为两种离子在胶体上吸附的数量比值A B 分别为Mi阳离子的电价数ai Mi离子在土壤溶液中的活度 例题 有一土壤溶液中的K 的浓度为0 1M Ca2 的浓度为0 01M 问胶体上这两种离子的吸附比例 解 情况1 灌水或者降雨使土壤中离子浓度变稀了 假定是原来的一半 问这两种离子在胶体上的变化 即 当土壤水分增加时 有利于低价离子解吸 高价离子吸附 情况2 蒸发或蒸腾使土壤中离子浓度变浓了 假使是原来的一倍 问这两种离子在胶体上的变化 当土壤水分减少时 有利于土壤中低价离子的吸附 高价离子的解吸 4 陪伴离子 associatedanion 5 阳离子交换作用的意义 1 保持阳离子 避免淋失 2 供应植物和微生物的养分 二 阳离子交换量Cationexchangecapacity CEC 定义 土壤能吸附交换性阳离子的总量 用每千克土壤的一价离子的厘摩尔数 cmol kg 理解 0 4gCa kg Ca 的克离子量 40 Ca 的摩尔数 0 4 40 0 01M 表示成阳离子交换量的厘摩尔数 0 01 100 2 2cmol kg 影响CEC的因素 土壤有机质含量 土壤质地 粘土矿物类型 pH 腐殖质humus 200cmol kg 蒙脱石smectites 100cmol kg 伊利石illite 25cmol kg 高岭石kaolinite 10cmol kg 铁铝氧化物FeandAloxides 5cmol kg 土壤成分 CEC与土壤质地 反映土壤的保肥能力的大小 强 20cmol kg中 20 10cmol kg弱 10cmol kg 是改良过酸土壤石灰需要量的重要参数 施肥的参考指标 CEC的意义 三 盐基饱和度Base saturationpercent 一 阳离子种类致酸离子 acidcations H Al3 盐基离子 basiccations Ca2 Mg2 K Na 二 盐基饱和度交换性盐基离子占阳离子交换量的百分数 100 a b 钠的分散作用 钙的团聚作用 钙的絮凝作用 絮凝flocculation 分散dispersion 钠的分散作用 三 盐基饱和度的意义 反映供应养分的能力 大部分作物需要BS 80 反映土壤的酸碱性计算石灰需要量的依据 盐基饱和度与土壤pH的关系盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应 为中性或碱性土壤而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应 为酸性土壤 四 交换性阳离子的有效度 离子饱和度 某种阳离子占交换性阳离子总量的百分数 四 交换性阳离子的有效度 钙的有效性与钙饱和度 钙的有效性 土壤A 土壤B 思考 不同质地土壤的施肥与有效性 施肥方法 四 交换性阳离子的有效度 互补离子效应 complementaryioneffect 互补离子 陪补离子 与某一交换性阳离子同时存在土壤胶体上的其它交换性阳离子 比较两种土壤胶体上K 的有效性 K 的有效性大小是 A土壤高于B土壤 互补离子对交换性钙的影响 幼苗对三种土壤钙的吸收量 甲土 已土 丙土 四 交换性阳离子的有效度 粘土矿物类型由于粘土矿物晶格结构的特征不同 因而吸附的牢固程度不一样 就决定了其解吸的难易不一 有效性则不同 如蒙脱石与高岭石 前者吸附的离子主要在晶层 内表面 吸附牢固 后者在外表面 吸附较弱 显然后者有效性高 四 阳离子的专性吸附 一 阳离子专性吸附 1 概念 土壤胶体对阳离子的吸附呈不可逆的现象 四 阳离子的专性吸附 一 阳离子专性吸附 2 易形成专吸吸附的阳离子 过渡金属离子 Cu Zn Mn等 3 易形成专性吸附的土壤胶体 氧化物类 高岭石类 4 机理 络合 二 影响因素 pH 影响羟基的数量胶体类型结晶程度 对重金属阳离子的富集作用对植物养分的调控作用对环境水体的净化作用 三 意义 阳离子专性吸附的实际意义 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 第三节土壤胶体对阴离子的吸附与交换 土壤对阴离子的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是 H2PO4 HPO42 PO43 HSiO3 SiO32 C2O42 2 吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子Cl NO3 NO2 3 中间类型的离子 SO42 CO32 各种阴离子被土壤吸收的次序如下 F 草酸根 柠檬酸根 H2PO4 HCO3 HBO3 SO42 Cl NO3 一 土壤对阴离子的静电吸附 由土壤胶体表面带正电引起的吸附 主要有 Cl NO3 ClO4 离子等 铁 铝氧化物 高岭石的边缘及有机质的 NH2 的质子化等带正电 主要受pH的影响 其规律同阳离子 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 他们递减的次序为 蒙脱石 伊利石 高岭石 概念 阴离子进入粘土矿物或氧化物表面的金属离子的配位壳中 与配位壳中的羟基或水合基重新配位 并直接通过共价键或配位键结合在固体的表面 产生专性吸附的阴离子有F 离子以及磷酸根 硫酸根 钼酸根 砷酸根等含氧酸根离子 三 阴离子的专性吸附 2 举例如 磷酸根在氧化铁表面的专性吸附 3 阴离子专性吸附与非专性吸附的区别 本章思考题 土壤为什么具有电性 土壤阳离子交换作用及其意义盐基饱和度及其意义土壤施肥与土壤带电性的关系土壤中常见重