土壤胶体化学和表面化学PPT学习教案

1、会计学1 土壤胶体化学和表面化学土壤胶体化学和表面化学 第1页/共37页 二、水合氧化物型表面 三、有机物表面 第2页/共37页 第3页/共37页 第二节土壤胶体表面性质第二节土壤胶体表面性质 （一）土壤胶体的表面积（一）土壤胶体的表面积 表82 土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2g-1） 胶体成分内表面积外表面积总表面积 蒙脱石 蛭 石 水云母 高岭石 埃洛石 水化埃洛石 水铝英石 700-750 400-750 0-5 0 0 400 130-400 15-150 1-50 90-150 5-40 10-45 25-30 130-400 700-850 400-800 90-150 5-4

2、0 10-45 430 260-800 一、土壤胶体的比表面土壤胶体的比表面 第4页/共37页 我国几种主要土壤的比表面积：我国几种主要土壤的比表面积： (二)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：总之：2：1型黏土矿物和有机质的含量越型黏土矿物和有机质的含量越 高，土壤的比表面积越大。高，土壤的比表面积越大。 第5页/共37页 二、土壤胶体表面电荷二、土壤胶体表面电荷 （一）土壤胶体电荷的种类（一）土壤胶体电荷的种类 1、永久电荷、永久电荷(permanent charge) 永久电荷永久电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。起源于矿物晶格内部离子的同晶置

3、换。 2、可变电荷、可变电荷(variable charge) 随随pH的变化而变化的土壤电荷，这种电荷的变化而变化的土壤电荷，这种电荷 称为称为可变电荷可变电荷。 第6页/共37页 可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团 的解离：的解离： A. 含水氧化硅的解离含水氧化硅的解离 B. 粘粒矿物的晶面上的粘粒矿物的晶面上的OH-和和H+的解的解 离离 C. 腐殖质上某些官能团的解离腐殖质上某些官能团的解离 D. 含水氧化和水铝石表面的分子中含水氧化和水铝石表面的分子中 OH-的解离；的解离； pHM2+M+ Al3 Mn2Ca2K+ Rb+NH4+K+

4、Na+Li+ 1 1、阳离子静电吸附、阳离子静电吸附 第16页/共37页 表表8 84 4 离子半径与吸附力离子半径与吸附力 一价离子Li+Na+K+NH+4Rb+ 离子的真实半径 (nm) 0.0780.09 8 0.13 3 0.14 3 0.14 9 离子的水合半径 (nm) 1.0080.79 0 0.53 7 0.53 2 0.50 9 弱弱 强强 离子在胶体上的 吸附力 第17页/共37页 三、阳离子交换作用 在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都 可以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解可以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解 吸。对

5、这种能相互交换的阳离子叫做吸。对这种能相互交换的阳离子叫做交换性阳离交换性阳离 子子，而把发生在土壤胶体表面的阳离子交换反应而把发生在土壤胶体表面的阳离子交换反应 称之为称之为阳离子交换作用阳离子交换作用。 第18页/共37页 （1）阳离子交换作用是可逆反应。 （2）阳离子交换遵循等价交换的原则。 （3）阳离子交换符合质量作用定律。 阳离子交换作用的特征: 第19页/共37页 阳离子交换量是评价土壤肥力的一个指标。阳离子交换量是评价土壤肥力的一个指标。 它直接反应土壤可以提供速效养分的数量，也它直接反应土壤可以提供速效养分的数量，也 能表示土壤保肥能力、缓冲能力的大小。能表示土壤保肥能力、缓冲

6、能力的大小。 CEC 20 保肥能力 低中高 四、土壤阳离子交换量四、土壤阳离子交换量(cation exchange (cation exchange capacity)-CECcapacity)-CEC 是指土壤溶液为中性是指土壤溶液为中性（pH = 7pH = 7）时，每千时，每千 克土壤吸附的一价离子的厘摩尔数称为土壤的克土壤吸附的一价离子的厘摩尔数称为土壤的 阳离子交换量阳离子交换量。（CECCEC：cmol(+)kg-1 cmol(+)kg-1 ） 第20页/共37页 表表8-35 8-35 不同类型土壤胶体的阳离子交换量不同类型土壤胶体的阳离子交换量 土壤胶体 CECcmol(+

7、).kg-1 腐殖质 蛭 石 蒙脱石 伊利石 高岭石 倍半氧化物 200 100-150 70-95 10-40 3-15 2-4 第21页/共37页 *影响土壤阳离子交换量的因素有：影响土壤阳离子交换量的因素有： （1）质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤， 其阳离子交换量也越大。 （2）有机质 OM % CEC （3）胶体的性质及构造 蒙脱石 高岭石 （4）pH值 在一般情况下，随着pH的升高，土壤 的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。 质地砂土砂壤土壤土粘土 CEC157815182530 第22页/共37页 五盐基饱和度五盐基饱和度 （1 1）盐基离子与致酸离子）盐基离子与致酸离子

8、 在土壤里，被胶体吸附着的阳离子，可在土壤里，被胶体吸附着的阳离子，可 以分为两类：以分为两类： 第一类第一类是氢离子和铝离子，它们是是氢离子和铝离子，它们是致酸离致酸离 子子，与土壤的酸度有密切关系。，与土壤的酸度有密切关系。 第二类第二类是其他的一些金属离子，如是其他的一些金属离子，如CaCa2+ 2+、 、 MgMg2+ 2+、 、K K+ +、NHNH4 4+ +等，在普通化学上，它等，在普通化学上，它 们都称为们都称为盐基离子盐基离子。 第23页/共37页 （2 2）盐基饱和度盐基饱和度(base saturation percentage)BSP(base saturation p

9、ercentage)BSP 在土壤胶体所吸附的阳离子中，交换性盐基离子在土壤胶体所吸附的阳离子中，交换性盐基离子 的数量占阳离子交换量的百分数，叫的数量占阳离子交换量的百分数，叫盐基饱和度盐基饱和度。 盐基饱和的土壤具有盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应中性或碱性反应； 而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤酸性土壤； 克土）量阳离子交换量（毫克当 克土）当量交换性盐基总量（毫克 盐基饱和度 100/ 100/ 100% 第24页/共37页 六交换性阳离子的有效度六交换性阳离子的有效度 影响交换离子有效度的因素主要有：影响交换离子有效度的因素主要有： （

10、一）离子饱和度（一）离子饱和度 离子的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效离子的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效 度度 就越大就越大 （二）互补离子效应（二）互补离子效应 （三）黏土矿物类型（三）黏土矿物类型 （四）阳离子的固定（四）阳离子的固定 第25页/共37页 表8-5 互补离子与交换性钙的有效 性 土壤 交换性阳离子 组成 小麦幼苗干 重(g) 小麦幼苗吸钙 量(mg) A B C 40%Ca+60%H 40%Ca+60% Mg 40%Ca+60%N a 2.80 2.79 2.34 11.15 7.83 4.36 在土壤胶体上各种交换性盐基离子之间的相互 影响的作用互补离子效应（

11、陪伴离子效应） 第26页/共37页 七、阳离子的专性吸附七、阳离子的专性吸附 （一）阳离子专性吸附的机理 2 2：1 1型层状硅酸盐矿物（蒙脱石、蛭石等）单元晶层上下两型层状硅酸盐矿物（蒙脱石、蛭石等）单元晶层上下两 面都是硅氧四面体片，硅氧四面体片有六个四面体组成的六角面都是硅氧四面体片，硅氧四面体片有六个四面体组成的六角 形孔穴，这些孔穴的半径约形孔穴，这些孔穴的半径约0.140.14纳米，纳米， K K+ +、NHNH4 4+ +的半径为的半径为 0.1330.133纳米和纳米和0.1430.143纳米，与孔穴大小相近，层间吸附的这些离纳米，与孔穴大小相近，层间吸附的这些离 子在土壤干燥

12、脱水收缩时，很易被挤压陷入孔穴，与氧直接结子在土壤干燥脱水收缩时，很易被挤压陷入孔穴，与氧直接结 合，合， 不易再交换出来，降低了对植物的有效性，这种现象又称不易再交换出来，降低了对植物的有效性，这种现象又称 晶穴固定晶穴固定。 另一种情况，有些阳离子，如另一种情况，有些阳离子，如PbPb2+ 2+、 、CuCu2+ 2+、 、ZnZn2+ 2+、 、HgHg2+ 2+等对 等对 氧化铁、铝胶体表面的氧原子有很强极化力，它们能穿过扩散氧化铁、铝胶体表面的氧原子有很强极化力，它们能穿过扩散 层进入内层，取代氧化铁、铝胶粒表面层进入内层，取代氧化铁、铝胶粒表面OHOH基中的基中的H H+ +，与氧

13、直，与氧直 接结合，成为氧化铁、铝本身化学组成的一部分。这种结合态接结合，成为氧化铁、铝本身化学组成的一部分。这种结合态 的阳离子也不易被其他离子交换出来，成为非交换性阳离子，的阳离子也不易被其他离子交换出来，成为非交换性阳离子， 降低了有效性。降低了有效性。 第27页/共37页 n1 1、pHpH值值 n2 2、土壤胶体类型、土壤胶体类型 n氧化锰氧化锰有机质有机质氧化铁氧化铁埃洛石埃洛石伊利石伊利石蒙脱石蒙脱石高岭高岭 石石 第28页/共37页 （三）（三）阳离子专性吸附的意义阳离子专性吸附的意义: 由于专性吸附对微量金属离子具有富集由于专性吸附对微量金属离子具有富集 作用的特性，因此，正

14、日益成为地球化学领作用的特性，因此，正日益成为地球化学领 域或地球化学探矿等学科的重要内容。域或地球化学探矿等学科的重要内容。 土壤和沉积物中的锰、铁、铝、硅等氧土壤和沉积物中的锰、铁、铝、硅等氧 化物及其水合物，对多种微量重金属离子起化物及其水合物，对多种微量重金属离子起 富集作用，其中以氧化锰和氧化铁的作用更富集作用，其中以氧化锰和氧化铁的作用更 为明显。为明显。 第29页/共37页 专性吸附在调控金属元素的生物有效性和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的作用。有试验表明，生物毒性方面起着重要的作用。有试验表明， 在被铅污染的土壤中加入氧化锰，可以抑制植在被铅污染的

15、土壤中加入氧化锰，可以抑制植 物对铅的吸收物对铅的吸收。 土壤是重金属元素的一个汇，对水体中的重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。也给土壤带来了潜在的污染危险。 第30页/共37页 第四节第四节 土壤胶体对阴离子的吸附与交换土壤胶体对阴离子的吸附与交换 （一）阴离子的静电吸附 土壤中的阴离子依其吸附能力的大小可分为三

16、类：土壤中的阴离子依其吸附能力的大小可分为三类： 1易被吸附的阴离子易被吸附的阴离子 最重要的是：最重要的是： H2PO4- HPO42- PO43- HSiO3- SiO32- 2吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子 Cl- NO3- NO2- ClO4- 3中间类型的离子：中间类型的离子： SO42- CO32- 各种阴离子被土壤吸附的次序如下：各种阴离子被土壤吸附的次序如下： F- 草酸根草酸根 柠檬酸根柠檬酸根 H2PO4- HCO3- HBO3- SO42- Cl - NO3- 第31页/共37页 （二）（二）阴离子的负吸附阴离子的负吸附 所谓所谓阴离子的

17、负吸附阴离子的负吸附，是指距带负电荷的是指距带负电荷的 胶体表面越近，阴离子数量越少的现象。胶体表面越近，阴离子数量越少的现象。 负吸附现象也受土壤特性影响，其它条件负吸附现象也受土壤特性影响，其它条件 相同，则负吸附现象随着土壤胶体的数量和阳离子相同，则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，而减少，不同的粘粒矿物对负吸附的影响也不同， 它们递减的次序为：它们递减的次序为： 蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 高岭石高岭石 这种情况也可归因于胶体负电荷数量不同这种情况也可归因于胶体负电荷数量不同 的缘故。的缘故。 带负电荷愈多的土壤胶体，对阴离子的排斥作用带负电荷愈多的土壤胶体，对阴离子的排斥作用 愈强，负吸附作用愈明显。愈强，负吸附作用愈明显。 第32页/共37页 三、阴离子专性吸附三、阴离子专性吸附 阴离子专性吸附阴离子专性吸附是指阴离子进入黏土矿物或是指阴离子进入黏土矿物或 氧化物表面的金属原子的配位壳中，与配位壳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。这种吸附发生键或配位键结合在固体的表