土壤化学性质课件

第五章土壤化学性质,第一节土壤胶体一、土壤胶体表面（一）、土壤胶体表面类型土壤胶体:无机胶体（粘粒）和有机胶体（腐殖质）,多呈有机-无机复合胶体。按表面位置分：内表面膨胀性粘土矿物的层间表面和腐殖质分子内的表面，其表面反应为缓慢渗入过程。外表面粘粒的外表面和腐殖质、游离铁铝氧化物等包被的表面，表面反应迅速。,土壤学,按表面的化学结构特点，可分为以下三类表面1、硅氧烷型表面硅氧片的表面硅氧烷SiOSi。21型粘粒的上、下两面，11型粘粒1/2面。非极性的疏水表面。主要电荷来源为同晶置换（Al3+Si4+），少部分是边角断键。2、羟基化表面(ROH)M（金属离子）OH，铝醇AlOH，铁醇FeOH，硅醇SiOH等。水铝（镁）片，铁、铝氧化物及硅片边角断键。,土壤学,极性亲水表面。电荷来源为表面OH基质子的缔合OH2+或离解OHO-+H+。可变电荷。3、有机物表面腐质物质为主的表面，表面羧基、酚羟基、氨基等活性基团。离解H+或缔合H+产生表面电荷。可变电荷。（二）、土壤胶体的比表面1、土壤胶体的表面积比面：单位重量（体积）物体的总表面积。物体颗粒愈细小，表面积愈大。,土壤学,土粒直径（mm）总表面积（cm2）比面（cm2/cm3）103.146131.42600.05628.3212000.0013141660000膨胀性21型粘土矿物总表面积大，以内表面积为主非膨胀性21型和11型粘土矿物总表面积小，一般以外表面为主（水化埃洛石例外）。水铝英石比表面较大，内、外表面各一半。,土壤学,铁、铝氧化物的比表面与其晶化程度有关，以外表面为主,非晶形氧化物的要高于晶形氧化物的。土壤有机质的比表面大，表观比表面可达700m2/g。2、比表面的测定方法（1）仪器法（2）吸附法。,土壤学,二、土壤表面电荷和电位1、电荷种类和来源（1）永久电荷来源于粘土矿物晶层中核心离子的同晶替代。不受介质pH值的影响，也不受电解质浓度的影响。同晶替代是2:1型粘土矿物电荷的主要来源。永久负电荷数量的多少依下规律：蒙脱石、蛭石水云母类高岭石,（2）可变电荷在介质酸碱度影响下产生的，其电荷类型和电荷数量均决定于介质酸碱度，又称pH依变电荷。可变电荷产生的原因：主要是胶体表面分子解离。1.含水氧化硅分子解离2.粘土矿物晶面上羟基解离（1:1型粘土矿物在pH氧化物，2:1型中蒙脱石类水云母类。（4）土壤酸碱性带可变电荷的土壤胶体，酸碱性是影响其电荷数量的重要因素，进而影响土壤保肥能力。例如：砖红壤pH值由自然条件下的5左右提高到7左右时，其负电荷量约增加70%。（三）土壤盐基饱和度（BaseSaturationPercentage）盐基离子占吸附阳离子总量(CEC)的百分数。土壤盐基饱和度(BS)(%)=100,土壤学,交换性盐基总量,CEC,我国土壤盐基饱和度大致以北纬33为界，以北盐基饱和度较高，一般达80%100%，以南盐基饱和度均较低，只有20%30%，有的甚至少于10%。盐基饱和度高的土壤，交换性阳离子以Ca2+为主，其次是Mg2+，分别占80%和15%。盐基饱和度低的土壤，交换性阳离子以H+和Al3+为主。BS80%BS5080%BS50%肥沃土壤中等肥力土壤低肥力土壤（四）交换性阳离子的有效度交换性阳离子对植物都是有效性的，但有效程度不一样。,土壤学,1、离子饱和度土壤吸咐某种交换性阳离子数量占土壤交换性阳离子总量的百分数，称该种离子饱和度。离子饱和度愈高，其有效性愈高。,2、互补离子效应对某一指定吸附离子，其他并存的离子都是它的互补离子。,土壤学,表101土壤阳离子交换与离子饱和度,互补离子效应是由各种阳离子被胶体吸着能力不同所致。有的阳离子被土壤胶体吸着力大，吸着很紧；有的阳离子被胶体吸着力小，吸着松散。一般说来，某离子的互补离子被土壤胶体的吸附力越强，该离子的有效度就越高。,表102互补离子与交换性钙的有效性,土壤学,3、粘土矿物类型高岭石类粘土矿物，有外表面而无内表面，阳离子吸着于外表面上，容易解吸，有效性高；蒙脱石类粘土矿物既有强大的外表面，又有内表面，吸着阳离子的有效性低于高岭石。水云母类粘土矿物由于硅层晶穴对阳离子K+或NH4+产生固定作用，降低其有效性。氧化物类胶体对阳离子产生专性吸收，使阳离子失去有效性。,土壤学,四、阳离子专性吸附,1、阳离子专性吸附的机理土壤铁、铝、锰等氧化物胶体，其表面阳离子不饱和而水合(化)，产生可离解的水合基(-OH2)或羟基(OH)，它们与溶液中过渡金属离子(M2+、MOH+)作用而生成稳定性高的表面络合物，这种吸附称专性吸附(Specificadsorption)，不同于胶体对碱金属和碱土金属离子的静电吸附。,过渡金属（B、B族等），水合热较大，在水溶液中呈水合离子形态，并易水解成羟基阳离子：M2+H2OM（H2O）2+MOH+H+水解阳离子电荷减少，致使其向吸附胶体表面靠近的能障降低，有利于与表面的相互作用。若过渡金属呈M2+离子态被专性吸附，形成单配位基表面络合物（-O-M），反应后释放1个H+，并引起1个电荷变化。,土壤学,若呈MOH+离子态被吸附，形成双配位基表面络合物（-O-M-OH），反应后释放2个H+，但表面电荷不变化。专性吸附在胶体表面正、负、零电荷时均可发生，反应结果使体系pH下降。层状硅酸盐粘土矿物边面裸露的Al-OH基和Si-OH基与氧化物表面羟基相似，有一定专性吸附能力。专性吸附的金属离子为非交换态，不参与一般的阳离子交换反应。可被与胶体亲合力更强的金属离子置换或部分置换，或在酸性条件下解吸。,土壤学,2、影响阳离子专性吸附的主要因素（1）pH金属离子水解和专性吸附反应均释放H+，pH升高有利于反应进行。（2）土壤胶体类型对阳离子专性吸附的土壤胶体主要是氧化物。其中非晶质的氧化锰氧化铝氧化铁。非晶质结晶质土壤中铁、锰氧化物多，具有更大意义。,土壤学,3、阳离子专性吸附的实际意义（1）对多种微量重金属离子的富集作用在红壤、黄壤的铁锰结核中，Zn、Co、Ni、Ti、Cu、V等都有富集。其中Zn、Co、Ni与锰含量呈正相关，而Ti、Cu、V、Mo与铁含量呈正相关。在地球化学探矿上有实用价值。,土壤学,（2）控制土壤溶液中重金属离子浓度通过专性吸附和解吸，控制土壤溶液中Zn、Cu、Co、Mo等微量重金属离子浓度。从而控制其生物有效性和生物毒性。被Pb污染的土壤中加入氧化锰，可抑制植物对Pb的吸收，降低毒害。（3）净化与污染作用土壤氧化物胶体对重金属污染离子的专性吸附固定，对水体起一定的净化作用，并对植物从土壤溶液吸收和积累这些金属离子起一定的缓冲和调节作用。但同时给土壤带来潜在的污染危险。,土壤学,第四节土壤胶体对阴离子的吸附与交换一、土壤中的阴离子吸收力不同阴离子被土壤吸收的力不同，分为三类：1、易被土壤吸收的阴离子磷酸根(H2PO4-、HPO42-、PO43-)，硅酸根(HSiO3-、SiO32-)，有机酸根(如C2O42-)以及F-。阴离子被吸收的机制通常是化学吸收或专性吸收F-易被土壤中氧化物产生专性吸收，故土壤是F-的净化剂。,土壤学,2、吸收力弱或进行负吸收的阴离子这类阴离子包括Cl-、NO2-、NO3-等，主要是被土壤负吸收，很容易从土壤淋洗出去。NO2-、NO3-的流失，不仅造成氮肥利用率降低，而且还造成水体污染。3、中间类型的阴离子这类阴离子包括SO42-、CO32-，被土壤吸收力居于上两类之间。,土壤学,二、阴离子的静电吸附,1、正吸附土壤胶体带正电荷的表面对溶液阴离子（主要是Cl、NO3、ClO4）的吸附。交换性吸附：其特点和影响因素类似于负电荷表面对阳离子的静电吸附。土壤中铁、铝、锰氧化物是产生正电荷的主要物质；高岭石边缘或表面羟基也可产生正电荷。有机胶体表面的胺基R-NH2+H+R-NH3+也可吸附阴离子。正电荷主要是可变电荷，受pH的影响。当pH7时，土壤胶体的正电荷基本消失，不发生阴离子的静电吸附。,2、负吸附土壤胶体带负电荷的表面对阴离子的排斥力大小，与阴离子距土壤胶体表面距离有关，距离愈近对阴离子排斥力愈大，表现出强的负吸附，反之负吸附则弱