土壤学第七章

第四章土壤胶体化学和表面反应,SoilColloidChemistryandSurfaceReactions,引子,施入土壤中的养分会发生哪些反应?两个质地不同而其它性质相似的土壤,其保肥力有何不同?两个机械组成相同、有机质含量相等的土壤A和B，均为花岗岩风化而成，A为红壤（湖南省）、B为棕壤（山东省），它们中同一养分离子的有效性如何？,教学要点,土壤表面类型与表面积土壤电荷种类与起源土壤双电层结构阳离子吸附、CEC和相关概念阴离子专性吸附及其意义,Astateofmatterconsistingofveryfineparticlesthatapproach,butneverreach,molecularsizes.ParticleSize：5nm-0.0002mm.,Acolloid（胶体）,土壤胶体,Colloid（胶体）=Clay（粘粒）Organiccolloid（有机胶体）=Humus（腐殖质）Inorganiccolloid=Phyllosilicates（层状硅酸盐矿物）and(hydr-)oxidesSeparationandPreparationofClay,第一节土壤胶体的表面性质SurfacePropertiesofSoilColloids,土壤胶体表面类型(Surfacetypes)内表面-外表面硅氧烷型(Siloxanesurface)水合氧化物型(Hydroxylsurface)有机物表面(Organicsurface),表面结构,硅氧烷型表面:Si-O-Si2：1型矿物的基面；？1：1型矿物？非极性、疏水，不易解离，同晶置换。,水合氧化物型表面：M-OHM为配位金属离子（如Al、Fe）或硅离子。水合氧化物和氢氧化物表面1：1型矿物基面？硅氧烷型基面？极性、亲水，可变电荷。,有机物表面：羧基（-COOH）、羟基（-OH）、醌基（=O）、醛基（-CHO）、甲氧基（-OCH3）、氨基（-NH2）等。R-COOHH2OR-COO-+H3O+R-NH2H2OR-NH3+OH-,2.土壤胶体的比表面积(m2/g)SpecificSurfaceArea(SSA),3.土壤表面电荷和电位SoilSurfaceChargeandPotential,土壤电荷的起因和种类,H解离/缔合,边缘断键,专性吸附,同晶置换,PermanentCharge,VariableCharge,Positive,Negative,Netcharge,阳离子交换量CationExchangeCapacity(CEC);永久负电荷量：Permanentnegativechargequantity(CECp);可变负电荷量：Variablenegativechargequantity(CECv);阴离子交换量：AnionExchangeCapacity(AEC).,土壤电荷数量,注意,电荷量决定吸附量，电荷密度决定吸附强度土壤电荷主要集中在胶体部分胶体组成是决定其电荷数量的基础胶体组分间的交互作用影响电荷量,OriginofCharge,2)土壤胶体表面电位(SoilColloidSurfacePotential)Nernst（能斯特）equation:=(RT)/(nF)ln(H+)/(H+)zpc25=0.059(ZPCpH)volts,双电层理论(ElectricDoubleLayer)HelmholtzDouble-Layer:=(4)/D,-,+,potentialdistributionwithdistance,Distance,=0,Clay,SoilSolution,Gouy-ChapmanDouble-Layer:,-,Clay,=0,Distancex,Soilsolution,Potentialdistributionasrelatedtodistance,Cx=Cx0exp(-ze/kT)Cx=concentrationsofcations(mol/L)atdistancex,Cx0=concentrationofcationsinthebulksolution(mol/L),z=valence,e=electroniccharge,=electricalpotential,k=Boltzmannconstant,T=absolutetemperature.x=0exp(-Kx)Atroomtemperature:k=3*107zC1/21/k：双电层厚度（mm）,电解质浓度/价态与DDL厚度,应用：胶体絮凝-分散；土壤板结？,1879年,1910年,1924年,1947年,第二节阳离子吸附与交换Adsorptionandexchangeofcations,Theprocessofconcentratingmaterialsattheinterfaceiscalledadsorption（吸附）.,CationExchange,Ca+2-colloid+2H+2H+-colloid+Ca+2=H+replacesCa+2adsorbedtosoilcolloidsCa-x+2H+2H-x+Ca+2x=thesoilsolidphaseX(ad)+2H+2H(ad)+X+2X(ad)=adsorbedcationX,Adsorbedcations,(a)盐基离子（basiccations）:Ca+2,Mg+2,K+,Na+(b)致酸离子（acidiccations）:H+andAl+3(c)吸附强度（strengthofadsorption）:Al+3Ca+2=Mg+2K+=NH4+Na+,阳离子相对浓度(质量作用定律);离子价态(highervalenceionsaremoreefficient);扩散速度(thesmallestmovingthefastest).,离子交换能力,交换能力CsRbKNaLiThLaBaSrCaMgCuZnCoPbMn(ongoethite),离子半径和水合半径,1.vanderWaalsforce;2.Protonation（质子化）,electrostatic(静电)andcoordination(共价);3.Hydrogenbonding（氢键）;4.Hydrophobicbonding（疏水键）;5.Ligandexchange（配位交换）,吸附作用力,吸附等温线(Adsorptionisotherms),Freundlich方程:x/m=kC1/nLangmuir方程:x/m=(k1C)/(1+k2C)Brunauer,Emmett,andTeller(BET)方程:V(P0-P)=1/(VmC)+(C-1)/(VmC)(P/P0),阳离子交换量(CEC)CationExchangeCapacity,Thecapacityofsoilstoadsorbandexchangecations.,Relatedtothesurfaceareaandsurfacecharge：CEC=SSA*(surfacechargedensity),CEC取决于:CEC的概念,分析方法和pH,胶体类型胶体数量(质地及胶体组成).,ECEC=NH4-acetateexchangeablebases+1MKClextractableAl,几种土壤胶体组分的CEC,盐基饱和度(BS)BaseSaturationPercentage(BSP)盐基离子（Ca、Mg、K、Na）占CEC的百分数BSP(%)=exchangeablebaseions(cmol/kg)CEC(cmol/kg),盐基饱和度与土壤pH关系？,BS与肥力、质地有关系吗？,交换性阳离子的有效度,离子饱和度陪伴离子粘土矿物组成,土壤阳离子交换性与离子饱和度,互补离子与交换性Ca有效性,集中施肥；砂土肥效快,阴离子呢？,阳离子专性吸附(Specificadsorption),机理：氧化物吸附过渡金属离子影响因素(1)pH(2)typesofsoilcolloids作用(1)Agricultureandfoodquality(2)Environment,第三节阴离子吸附与交换AdsorptionandExchangeofAnions,土壤吸附的阴离子1易被吸附的阴离子：H2PO4-HPO42-PO43-HSiO3-SiO32-C2O42-2吸附作用很弱的阴离子Cl-NO3-NO2-3中间类型的离子SO42-CO32-各种阴离子被土壤吸附的次序：F-草酸根柠檬酸根H2PO4-HCO3-HBO3-SO42-Cl-NO3-,静电吸附（Electrostaticadsorptionofanions）Cl-,NO3-,ClO4-负吸附（Negativeadsorptionofanions）Cl-=NO3-SO42-Ba2+土壤胶体表面,专性吸附指阴离子进入粘土矿物或氧化物表面的金属原子的配位壳中，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。因其发生在胶体双电层的内层，也称为配位体交换吸附。,磷酸根在氧化铁表面的专性吸附,8,阴离子专性吸附与非专性吸附比较,阴离子专性吸附的作用（1）养分的固定与保蓄，如磷、钼等，影响土壤肥力及植物生长；（2）污染元素的环境效应，如硒、氟等，影响环境质量和人类健康；（3）阴离子间的竞争吸附及解吸，特别是