第五章(1) 土壤胶体化学与表面反应

本章的基本原则是理解土壤化学性质的基础。粘土矿物是胶体的基础。2.土壤胶体的表面性质对土壤的物理化学性质有着全面而深刻的影响。学好这一章可以对每一章进行全面的学习。3.土壤胶体化学是土壤化学的核心内容之一。教学目标，第一部分，土壤胶体的类型和结构，土壤胶体的概念，土壤胶体的类型和结构，土壤胶体的基本性质，土壤胶体对离子的吸附，土壤胶体吸附的意义，土壤胶体吸附的类型和意义，土壤胶体的概念，胶体：细颗粒(通常小于0.001毫米粘土颗粒)均匀分散在分散剂中形成两相体系。土壤胶体是指土壤中的细颗粒均匀分散在土壤水中的两相体系。土壤胶体是土壤中最小、最活跃的部分。土壤胶体的组成和性质对土壤的物理化学性质有很大影响，如土壤吸附性、酸碱性、缓冲性和土壤结构。土壤胶体是一种分散体系。分散系统通常由两种物质组成。一种物质的分子是连续分布的，这叫做分散介质。另一种物质的分子是不连续的，称为分散相。分散相均匀分散在分散介质中，形成胶体分散体系。一般以土壤固体颗粒为分散相，以土壤溶液和土壤空气为分散介质。一般情况下，土壤胶体的上限为0.001毫米，即1米，比普通胶体大10倍，因为这种大小的颗粒明显表现出胶体性质，如粘土颗粒，也称为胶体颗粒。(1)土壤胶体可分为无机胶体(也称矿物胶体)、有机胶体和有机-无机复合胶体。有机胶体土壤中的有机物，尤其是腐殖质，是一种分子量大、结构复杂的高分子化合物，具有明显的胶体性质。因此，它们被称为土壤有机胶体。土壤腐殖质是土壤有机胶体的主体。此外，少量的蛋白质、多肽、氨基酸和多糖大分子化合物也具有胶体性质。土壤中也有大量的微生物，它们具有胶体性质，是生物胶体。它带有大量活性官能团，特别是表面的酸性官能团，如氢，溶解后带有大量负电荷，阳离子取代度高达300-500 cmol (m)/kg。无机胶体无机胶体，也称为矿物胶体，主要由层状铝硅酸盐矿物和无定形氧化物组成。它们通常是极细的粘土颗粒。就数量而言，无机胶体比有机胶体高几十倍。通常使用土壤中的粘土颗粒(伊利石蒙脱石)。表面分子的解离粘土矿物晶格表面的羟基差异，腐植酸分子和无定形胶体(如硅酸胶体、氧化铁、铝等)的酸性含氧官能团(如羟基、酚羟基)和羧基。)在介质的酸碱度变化时，粘土颗粒会不同程度地解离，从而使胶体颗粒带电。(3)土壤胶体具有凝聚和分散现象。胶体以两种状态存在。一种是分散相均匀地分散在介质中，称为溶胶，另一种是分散相在外部因素的作用下凝结和聚集在一起，称为凝胶。溶胶和凝胶不是永久性的，在一定条件下可以相互转化。从溶胶到凝胶的过程称为胶体聚集。相反，从凝胶到溶胶的过程称为胶体分散。土壤胶体在大多数情况下处于凝聚状态，凝聚的土壤胶体可以被一价阳离子如钠和钾分散。土壤胶体的存在主要受两种力的影响。一种是分散胶体颗粒的胶体颗粒之间的静电排斥，另一种是胶体颗粒之间的分子吸引，这使得胶体颗粒以聚集的趋势相互吸引。如果静电排斥力大于吸引力的分量，则胶体为分散的溶胶形式，而I根据阳离子与胶体的结合力，土壤中常见的阳离子可按以下顺序排列：Fe3 Al3 H Ca2 Mg2 NH4 K Na。因此，高价阳离子的内聚力大于低价阳离子的内聚力。高价阳离子的浓度低，分散的胶体不能凝聚。相反，如果低价阳离子的浓度很高，它们就会凝聚。土壤胶体的表面性质。土壤胶体的表面类型1。硅氧烷型表面2。水合氧化物型表面3。有机表面。土壤中的无机胶体主要包括：(1)层状硅酸盐矿物是无机胶体的主要成分，主要为结晶态的次生矿物，主要为L33601型高岭石、2:1型蒙脱石和水云母。(2)水性氧化物胶体水性氧化物硅胶。大多数是游离无定形氧化硅(二氧化硅)的水合物。当电离发生时，氢解离成溶液，导致胶体带负电。H2SiO 3(Si 02 NH 20)=H HSIO 3-=H Si 032-土壤中的二氧化硅含量很高。大部分存在于应时的沙子和淤泥中。只有无定形二氧化硅才能具有胶体性质。无定形二氧化硅可以溶解在土壤溶液中形成硅氢氧化物，通过聚合过程转化为稳定状态。(2)水合氧化铁和铝胶体。水合氧化铁和铝主要以晶体矿物的形式存在于土壤中。最常见的氧化铁是针铁矿和赤铁矿。土壤中的氧化铁通常以两种或多种形式的混合物存在。土壤中的含水氧化铝胶体是由结晶和无定形矿物风化而成的。Al203、氢氧化铝和A100H是晶体。无定形铝主要是羟基铝及其聚合物。A13能以溶胶的形式在溶液中形成较大的羟基-A1聚合物。土壤胶体的比表面积，砖红壤60-80 m2-1，红壤100-150 m2-1，黄棕壤200-300 m2-1，(2)比表面积测定方法1，仪器法2，吸附法氮，甘油，乙二醇醚等。总之，2: 1型粘土矿物和有机物的含量越高，土壤的比表面积越大。(1)土壤电荷的原因和类型，(1)永久电荷)*永久电荷来源于矿物晶格中离子的同构置换。2，可变电荷)*随酸碱度变化的土壤电荷，称为可变电荷。零电荷：如果在一定的酸碱度下，粘土矿物的表面既不带正电也不带负电，其表面电荷等于零，此时的酸碱度称为零电荷(ZPC)。可变电荷的原因主要是胶体核表面分子或原子团的解离：a .水合二氧化硅的解离；b .粘土矿物晶面上羟基和氢的解离；c .腐殖质上某些官能团的解离；d .水合氧化物和勃姆石表面分子中羟基的解离；草酸柠檬酸盐。(2)阴离子的负吸附所谓阴离子的负吸附是指越靠近带负电荷的胶体表面，阴离子数量越少的现象。负吸附也受到土壤特性的影响。在其他条件相同的情况下，负吸附随着土壤胶体和阳离子替代量的增加而增加。但随着伴随阳离子价态的增加，吸附量减少，不同粘土矿物对负吸附的影响也不同。其递减顺序为蒙脱石伊利石高岭石，这也可归因于胶体负电荷数量的不同。土壤胶体带负电荷越多，对阴离子的排斥越强，负吸附越明显。阴离子特异性吸附是指阴离子进入粘土矿物或氧化物表面金属原子的配位壳，与配位壳中的羟基或水合基团重新配位，并通过共价键或配位键直接结合到固体表面。这种吸附发生在胶体双电层的内层，也称为配体交换吸附。产生特定吸附的阴离子包括氟离子和含氧酸离子，如磷酸盐、硫酸盐、钼酸盐、砷酸盐等。例如，磷酸盐在氧化铁表面的特异性吸附，离子交换的反应过程，以及离子交换，溶液中离子与胶体表面离子之间的交换位置。离子解吸：胶体表面的离子脱离胶体进入溶液。离子吸附：溶液中的离子被吸附在胶体表面。注：离子交换是由于离子的解吸和吸附而发生的，土壤中离子的吸附通常通过离子交换来表达。吸附在土壤胶体颗粒上的阳离子和土壤溶液中的阳离子在一定条件下保持动态平衡关系。当土壤溶液的离子组成发生变化时，土壤胶体上的可交换阳离子也将不可避免地发生变化，即产生与交换效应的分离，以达到新的平衡。如下图所示，阳离子交换的基本规律是阳离子交换反应是可逆反应。当溶液中的离子吸附在胶体表面，溶液中的离子达到平衡时，如果溶液的浓度或组成发生变化，吸附在胶体上的可交换离子与溶液中的离子发生离子交换，并返回到土壤溶液中，建立新的平衡。阳离子交换反应根据当量和其他化学反应-样品进行。各种离子之间的交换基于离子价，即等价电荷的离子交换。阳离子交换反应受质量作用定律支配。因为离子交换反应是可逆反应，所以当温度不变时，有一个平衡常数。阳离子交换反应过程进行得很快。当土壤水分充足时，胶体的补偿离子充分水合，交换反应可以在几秒钟内完成。灌溉可以促进交换反应。离子数量越多，交换能力越强。同价离子的交换容量根据其离子半径和水合程度而变化。离子半径越大，水合程度越弱，水合半径越小，取代能力越强。比如克纳。土壤中的阳离子可根据其置换能力进行分类：离子交换能力弱的离子，如钠、钾和其他一价离子，吸附能力强，浓度低的离子，如Ca2和Mg2，如果浓度足够大，可以进行交换。胶体的表面性质胶体对具有相同或相似交换力的离子的亲和力不同。在影响酸度和温度条件之间交换反应的环境条件中，最重要的是溶液的酸碱度。pH值的增加和土壤胶体的可变电荷会增加土壤的吸附容量。阳离子交换容量是指土壤能吸收的可交换阳离子的最大数量。通常，它是在pH7的条件下测定的(即使用中性溶液作为交换剂)。阳离子交换量通常被认为是评价土壤肥力的重要指标之一。它直接反映了土壤中有效养分(可交换阳离子)的数量，也可以指示土壤肥力保持能力和缓冲能力的大小。一般认为，20cmol ()/Ks干土的阳离子交换容量相对较大。影响阳离子交换容量的因素有：胶体的数量、类型和组分交换反应主要由胶体物质进行，因此胶体越多，比表面积越大，吸附的阳离子越多，交换容量越大。土壤质地越细，土壤中矿物胶体特别是粘土颗粒的含量越高，土壤交换容量越大，有机质含量高、SiO 2/R 2O 3比值大的胶体交换容量越大。(见图)土壤酸碱度影响土壤可变电荷的数量。当土壤酸碱度增加时，土壤可变负电荷通常增加，因此阳离子交换容量增加。相反，当ph降低或趋于酸性时，土壤的阳离子交换能力降低。(见图)，阳离子交换能力，离子交换对土壤肥力的影响，土壤离子交换对土壤养分状况的影响，土壤保肥胶体的吸附作用，防止肥料被冲走或浓度过高影响土壤肥料供应能力，土壤胶体吸收和储存大量养分，并不断释放到土壤溶液中，从而保证植物整个生长期的养分需求。影响土壤的土壤酸碱度与土壤基质的饱和度有关。通常，非饱和土壤碱是酸性的，而饱和土壤碱是中性或碱性的。影响土壤的缓冲土壤胶体吸收大量的可交换阳离子