土壤胶体和土壤离子交换文档

1、第八章第八章 土壤胶体和土壤离子交换土壤胶体和土壤离子交换 l 土壤胶体的构造和性质土壤胶体的构造和性质 l 土壤胶体的类型土壤胶体的类型 l 土壤阳离子交换作用土壤阳离子交换作用 l 土壤阴离子交换作用土壤阴离子交换作用 内容提要内容提要 胶体的概念胶体的概念 胶体是物质存在的一种状态，是一种胶体是物质存在的一种状态，是一种分散体系。分散体系。 一种物质分散在另一种物质中所形成的体系，称为一种物质分散在另一种物质中所形成的体系，称为分散体系分散体系 或分散系。或分散系。 根据分散体系中被分散的物质（分散相）的大小，可把分散根据分散体系中被分散的物质（分散相）的大小，可把分散 系分为：系分为：

2、粗分散系、胶体分散系和分子、离子分散系。粗分散系、胶体分散系和分子、离子分散系。 何为分散体系？何为分散体系？ 一般把分散相颗粒直径（非球颗粒则指长、宽、一般把分散相颗粒直径（非球颗粒则指长、宽、 高三向中一个方向的长度）高三向中一个方向的长度）在在1-1001-100纳米范围内纳米范围内 的分散系称胶体分散系。的分散系称胶体分散系。其颗粒大小介于粗分其颗粒大小介于粗分 散系和分子、离子分散系之间。散系和分子、离子分散系之间。 胶体分散系胶体分散系 按聚集状态分类： 分散介质分散相名 称 固溶胶、悬浮液、软膏 液乳状液液 气泡沫 固 气 液 气溶胶 固固态悬浮液 液固态乳状液固 气固态泡沫 第

3、一节第一节 土壤胶体的构造和性质土壤胶体的构造和性质 一一 、土壤胶体的概念、土壤胶体的概念 颗粒直径（非球形颗粒则指其长、宽、高三向颗粒直径（非球形颗粒则指其长、宽、高三向 中一个方向的长度）在中一个方向的长度）在1100nm1100nm范围内的带电的范围内的带电的 土壤颗粒土壤颗粒与与土壤水土壤水组成的组成的分散系分散系。 注：通常情况下，直径小于注：通常情况下，直径小于2m2m（或（或 1m1m）的土粒便具有胶体的性质，因而）的土粒便具有胶体的性质，因而 被视为土壤胶体颗粒。被视为土壤胶体颗粒。 土壤胶体的结构和性质 二二 、土壤胶体的构造、土壤胶体的构造 胶核胶核 双电层双电层 决定电

4、位离子层决定电位离子层 补偿离子层补偿离子层 非活性补偿离子层非活性补偿离子层 扩散层扩散层 胶粒胶粒 胶团胶团 _ + _ _ _ + + + + + + + 土壤胶体的结构和性质 土壤胶体构造示意图土壤胶体构造示意图 土壤胶体的结构和性质 这是胶体的固体部分这是胶体的固体部分, , 土壤中胶核土壤中胶核 一般由含水一般由含水SiOSiO2 2 ,Fe ,Fe2 2 O O3 3,Al,Al2 2 O O3 3 、次、次 生铝硅酸盐、腐殖质或蛋白质等分生铝硅酸盐、腐殖质或蛋白质等分 子团分子组成子团分子组成 。 ( (一一) ) 胶核胶核 土壤胶体的结构和性质 由于内层电荷的静电引力的作用由

5、于内层电荷的静电引力的作用, , 吸附土壤溶吸附土壤溶 液中相反的离子液中相反的离子 而形成的而形成的: :非活性离子层非活性离子层和和扩扩 散层散层（发生离子交换）。（发生离子交换）。 (二二) 双电层双电层 1、 决定电位离子层决定电位离子层( (内层内层) 是固定在胶核表面是固定在胶核表面, , 并决定其电荷和电位的一层离子。并决定其电荷和电位的一层离子。 2、 补偿离子层补偿离子层(外层外层) 土壤胶体的结构和性质 注意注意： 把土壤胶粒完全理解为球形构造，显然是错误的。把土壤胶粒完全理解为球形构造，显然是错误的。 现代土壤学的研究说明，只有现代土壤学的研究说明，只有土壤有机胶粒土壤有

6、机胶粒，或，或 无定形的氢氧化铁无定形的氢氧化铁、氢氧化铝氢氧化铝、含水氧化硅含水氧化硅和和水水 铝英石铝英石等矿质胶粒可以认为等矿质胶粒可以认为近似圆球形构造近似圆球形构造。而。而 土壤中大多数矿质胶粒，例如土壤中大多数矿质胶粒，例如层状硅酸盐类粘土层状硅酸盐类粘土 矿物矿物通过通过X-X-射线和电子显微镜的研究，已经明确射线和电子显微镜的研究，已经明确 是是层状构造层状构造. . 土壤胶体的结构和性质 层状黏土矿物胶体的构造示意图层状黏土矿物胶体的构造示意图 土壤胶体的结构和性质 三三 、土壤胶体的性质、土壤胶体的性质 1. 巨大的比表面积和表面能巨大的比表面积和表面能 单位质量或体积物体

7、的总表面积称为比表面积单位质量或体积物体的总表面积称为比表面积 或比面，单位为或比面，单位为cm2g-1或或cm2cm-3。 物体分割得愈细小，单体数愈多，总面积愈大，物体分割得愈细小，单体数愈多，总面积愈大， 比面也愈大。比面也愈大。 土壤胶体的结构和性质 1 cm3物质表面积随分散度变化的情况物质表面积随分散度变化的情况 立方体边长立方体边长 （cm） 立方体数立方体数 目目 总表面积总表面积 比表面积比表面积 （cm2cm-3） 116cm26 0.110360cm2610 0.01106600cm26102 0.0011096000cm26103 0.000110126m26104 0

8、.00001101560m26105 0.0000011018600m26106 0.000000110216000m26107 土壤胶体的结构和性质 各粒径土粒的比面各粒径土粒的比面 土粒土粒 （粒径（粒径mm） 比表面积比表面积 （cm2g-1） 土粒土粒 （粒径（粒径mm） 比表面积比表面积 （cm2g-1） 粗砂粒（粗砂粒（1）22.6 粘粒（粘粒（0.0005） 500nm 45,200 中砂粒（中砂粒（0.1）226 胶粒（胶粒（0.0001） 100nm 226,000 细砂粒（细砂粒（0.01）2,260 胶粒（胶粒（0.00005） 50nm 452,000 粘粒（粘粒（0.

9、001）22,600 胶粒（胶粒（0.00001） 10nm 2,260,000 很显然很显然,土粒越细比表面越大土粒越细比表面越大,土壤中颗粒的形状多种多样土壤中颗粒的形状多种多样. 只有砂粒近只有砂粒近 似球形似球形,但其表面大多不平但其表面大多不平,大部分粘粒多为大部分粘粒多为片状片状,棒状棒状,针状针状, 实际上胶实际上胶 体的表面积比光滑的球体体的表面积比光滑的球体大得多大得多。 由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的表面能表面能。 土壤胶体的结构和性质 2. 土壤胶体的带电性土壤胶体的带电性 由于胶体表面的分子解离或吸附溶液中的离子由于

10、胶体表面的分子解离或吸附溶液中的离子,使胶粒带电使胶粒带电. 土壤中所有胶粒都是带电的（胶体的基本条件），土壤中所有胶粒都是带电的（胶体的基本条件）， 这是土壤产生离子吸附和交换、离子扩散、酸碱平这是土壤产生离子吸附和交换、离子扩散、酸碱平 衡、氧化还原反应以及胶体的分散与絮凝等现象的衡、氧化还原反应以及胶体的分散与絮凝等现象的 根本原因，而这些反应都直接或间接关系到土壤的根本原因，而这些反应都直接或间接关系到土壤的 水、肥、气、热性质。水、肥、气、热性质。 因此，土壤胶体的带电性对土壤肥因此，土壤胶体的带电性对土壤肥 力性质有重要影响。力性质有重要影响。 土壤胶体的结构和性质 (1)(1)同

11、晶异质代换作用同晶异质代换作用 层状铝硅酸盐粘土矿物在形成时，中心离子可以被其它相近层状铝硅酸盐粘土矿物在形成时，中心离子可以被其它相近 或稍大的同性离子代换而产生电荷，但矿物的结晶构造型式或稍大的同性离子代换而产生电荷，但矿物的结晶构造型式 不变。不变。 如如Al3+代代Si4+或或Fe2+代代Al3+等等,这样晶体中就产生了剩余负电荷这样晶体中就产生了剩余负电荷,这种电荷一这种电荷一 旦产生旦产生,就不能改变就不能改变,故称故称永久电荷永久电荷。 土壤胶体电荷的来源土壤胶体电荷的来源 指组成矿物的中心离子被电性指组成矿物的中心离子被电性 相同、大小相近的离子替代而相同、大小相近的离子替代而

12、 晶格构造保持不变的现象。晶格构造保持不变的现象。 土壤胶体的结构和性质 四面体中的硅可被铝代换四面体中的硅可被铝代换 Si4+ Al3+ 八面体中的铝可被铁、镁代换八面体中的铝可被铁、镁代换 Al3+ Fe2+或或Mg2+ 土壤胶体的结构和性质 (2)(2)晶格破碎边缘的断键晶格破碎边缘的断键 在矿物风化破碎的过程中，晶体晶格边缘的离子有一在矿物风化破碎的过程中，晶体晶格边缘的离子有一 部分电荷未得到中和，而产生剩余价键，使晶层带电。部分电荷未得到中和，而产生剩余价键，使晶层带电。 例如例如晶格在硅层或铝层截面上断裂，晶格在硅层或铝层截面上断裂，SiOSiSiOSi，AlAl OAlOAl在

13、断裂后，断面上留下在断裂后，断面上留下SiOSiO- -、AlOAlO- -，从而带，从而带 负电。负电。 土壤胶体的结构和性质 (3)(3)胶体表面分子的解离胶体表面分子的解离 胶核表面的分子或原子团的解离胶核表面的分子或原子团的解离, ,这种电荷的数量这种电荷的数量 和性质随介质的和性质随介质的pHpH而改变而改变, ,故称故称可变电荷可变电荷。 l 黏土矿物晶面上黏土矿物晶面上-OH-OH的解离的解离 l 含水铁、铝氧化物的解离（含水铁、铝氧化物的解离（AlAl2 2O O3 33H3H2 2O)O) l 腐殖质上某些官能团的解离（如腐殖质上某些官能团的解离（如-COOH-COOH） l

14、 含水氧化硅的解离含水氧化硅的解离 来源来源 土壤胶体的结构和性质 结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着结晶的粘土矿物大部分表面都裸露着OH原子团，在原子团，在 一定条件下：一定条件下： l当当H+解离后，则使胶核带负电解离后，则使胶核带负电，如，如H2SiO3和层状硅铝和层状硅铝 酸盐粘土矿物中解离酸盐粘土矿物中解离H+后使胶核带负电。后使胶核带负电。 l当当OH-发生解离时，则胶核带正电发生解离时，则胶核带正电，如，如Fe(OH)3或或 Al(OH)3中的中的OH-解离后则带正电。这种作用与普通酸碱解离后则带正电。这种作用与普通酸碱 解离相似，受溶液的解离相似，受溶液的pH影响，因此称为影响，

15、因此称为可变电荷可变电荷。 a. 黏土矿物晶面上黏土矿物晶面上-OH的解离的解离 土壤胶体的结构和性质 Al(OH)3+NaOH Al(OH)2O-+Na+H2O 胶核中的分子胶核中的分子 带负电荷的胶体核粒带负电荷的胶体核粒 Al(OH)3+HCl Al(OH)2+Cl-+H2O 胶核中的分子胶核中的分子带正电荷的胶体核粒带正电荷的胶体核粒 如如AlAl（OHOH）3 3在碱性环境中的解离：在碱性环境中的解离： 如如Al（OH）3在酸性环境中的解离：在酸性环境中的解离： Fe(OH)Fe(OH)3 3或或Al(OH)Al(OH)3 3解离解离H H+ + 而成为带负电的胶体，还而成为带负电的

16、胶体，还 是解离是解离OHOH- -而成为带正电而成为带正电 的胶体主要取决于的胶体主要取决于溶液的溶液的 pHpH值值。 土壤胶体的结构和性质 层状硅酸盐晶层上的层状硅酸盐晶层上的-OH-OH基可以解离出基可以解离出 H H+ +，带负电，带负电: : 结结 晶晶 体体 -OH -OH -OH 结结 晶晶 体体 -OH -OH -OH +3H+ 土壤胶体的结构和性质 当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶体的当土壤胶体解离阳离子和阴离子数量相等，即胶体的 正负正负 电荷相等时，此时胶体悬液的电荷相等时，此时胶体悬液的pHpH值称为值称为等电点等电点 (isoelectric (isoel

17、ectric point)point)。 在土壤在土壤pH5-8pH5-8的条件下，大多数土壤胶体的的条件下，大多数土壤胶体的等电点低于等电点低于这个这个 范围，因此，对于土壤胶体来讲，范围，因此，对于土壤胶体来讲，pH5-8pH5-8相当于在相当于在碱性环境碱性环境 下，此时，腐殖质和铝硅酸盐等胶体都下，此时，腐殖质和铝硅酸盐等胶体都带负电带负电，表现为对阳，表现为对阳 离子的吸离子的吸 附，只有附，只有Fe(OH)Fe(OH)3 3和和Al(OH)Al(OH)3 3带正电，吸附阴离子。带正电，吸附阴离子。 故故 土壤胶体在通常情况下以带负电为主。土壤胶体在通常情况下以带负电为主。 土壤胶体

18、为什么土壤胶体为什么 一般带负电一般带负电? 土壤胶体的结构和性质 如三水铝石的如三水铝石的pHpH0 0值为值为4.84.8。 当土壤当土壤pHpH低于低于pHpH0 0值时值时: :（相当于酸性环境）（相当于酸性环境） AlAl2 2O O3 33H3H2 2O 2Al(OH)O 2Al(OH)2 2+ +2OH+2OH- - 当土壤当土壤pHpH高于高于pHpH0 0值时值时: : （相当于碱性环境）（相当于碱性环境） AlAl2 2O O3 33H3H2 2O 2Al(OH)O 2Al(OH)2 2O O- -+2OH+2OH- - b. 含水氧化铁、氧化铝的解离含水氧化铁、氧化铝的解

19、离 土壤胶体的结构和性质 高高pH条件下：条件下： -COOH H+ + COO- -OH H+ + -O- 低低pH条件下：条件下： -NH2 -NH3+ c. 腐殖质上某些原子团的解离腐殖质上某些原子团的解离 土壤胶体的结构和性质 d. 含水氧化硅的解离含水氧化硅的解离 SiO2H2O（或（或H2SiO3）的）的pH0值为值为2， 在土壤中在土壤中 一般不产生正电荷，所带负电荷的量随土壤一般不产生正电荷，所带负电荷的量随土壤pH 值的升高而增加。值的升高而增加。 H2SiO3 HSiO3- +H+ （带正电）（带正电） SiO3-+H+ 土壤胶体的结构和性质 3. 土壤胶体的分散性和凝聚性

20、土壤胶体的分散性和凝聚性 胶体的两种状态胶体的两种状态 溶胶溶胶 凝胶凝胶 胶体微粒均匀分散在水中，胶体微粒均匀分散在水中， 呈高度分散状态呈高度分散状态 胶体微粒彼此联结凝聚在胶体微粒彼此联结凝聚在 一起而呈絮状一起而呈絮状 凝聚作凝聚作 用用 分散作分散作 用用 胶体的凝聚或分散决定于动电电位的胶体的凝聚或分散决定于动电电位的 高低高低： 越高，排斥力愈强，溶胶状态。越高，排斥力愈强，溶胶状态。 越低，当吸引力大于排斥力时，凝胶越低，当吸引力大于排斥力时，凝胶 状态。状态。 土壤胶体由于大多带有负电土壤胶体由于大多带有负电 荷，相互具有负电位，而互荷，相互具有负电位，而互 相排斥，不易凝聚

21、。相排斥，不易凝聚。 土壤胶体的结构和性质 l 电解质的电解质的浓度愈大浓度愈大，愈能有效地中和异电胶体的电性，愈能减小扩，愈能有效地中和异电胶体的电性，愈能减小扩 散层厚度，使散层厚度，使胶粒凝聚胶粒凝聚。 l 电解质中异电离子的电解质中异电离子的价数愈高，聚沉能力愈大价数愈高，聚沉能力愈大， 三价离子大于二价离子，二价离子大于一价离子；三价离子大于二价离子，二价离子大于一价离子； l 同价离子中，凝聚力大小与本身半径和水化半径有关，凡离子本身同价离子中，凝聚力大小与本身半径和水化半径有关，凡离子本身 半径大半径大 或水化后半径小的离子凝聚力大，相反则小。或水化后半径小的离子凝聚力大，相反则

22、小。 电解质阳离子的凝聚力大小顺序为：电解质阳离子的凝聚力大小顺序为： Fe3+ Al3+ Ca2+ Mg2+ H+ NH4+ K+ Na+ 电解质对胶体的凝聚作用受以下因素的影响：电解质对胶体的凝聚作用受以下因素的影响： 土壤胶体的结构和性质 0.5 m0.5 m粘土悬浊液开始凝聚时的电解质浓度粘土悬浊液开始凝聚时的电解质浓度 电解质名称电解质名称 开始凝聚时的浓度开始凝聚时的浓度 （molL-1） 电解质名称电解质名称 开始凝聚时的浓度开始凝聚时的浓度 （molL-1） NaCl0.02500.0125CaCl20.00060.00025 NH4Cl0.02500.0125AlCl30.0

23、00042 KCl0.02500.0125FeCl30.000042 MgCl20.00060.00025HCl0.0010.0005 注：胶体的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可注：胶体的凝聚作用，有的是可逆的，有的是不可 逆的。逆的。 阳离子这种凝聚作用的可逆和不可逆，与土阳离子这种凝聚作用的可逆和不可逆，与土 壤结构的稳定性有关，钙离子和腐殖质胶结的结构壤结构的稳定性有关，钙离子和腐殖质胶结的结构 具有水稳性，而钠离子胶结的不具水稳性。具有水稳性，而钠离子胶结的不具水稳性。 土壤胶体的结构和性质 凝聚作用强，利于胶体互相凝聚形成结构（团粒结构）。凝聚作用强，利于胶体互相凝聚形成结构（团粒

24、结构）。 农业上促进土壤团粒结构形成措施的理论解释：农业上促进土壤团粒结构形成措施的理论解释： l土壤干燥、冻结过程中，水膜消失，也就加大了电解质浓度，减土壤干燥、冻结过程中，水膜消失，也就加大了电解质浓度，减 小扩散层厚度，使胶粒互相凝聚而形成结构。生产上晒垡、冻垡等小扩散层厚度，使胶粒互相凝聚而形成结构。生产上晒垡、冻垡等 措施也就起了这个作用，所以措施也就起了这个作用，所以晒、冻垡有利于土壤形成结构晒、冻垡有利于土壤形成结构； 相反，相反，土壤水分过多土壤水分过多，土壤溶液电解质浓度相应减小，扩散层加厚，土壤溶液电解质浓度相应减小，扩散层加厚， 胶粒互相排斥而成溶胶状胶粒互相排斥而成溶胶

25、状。 l常年泡水的沤水田、烂泥田，土粒分散，缺少结构，通气性差，常年泡水的沤水田、烂泥田，土粒分散，缺少结构，通气性差， 栽秧后易产生浮秧，就是因为胶粒分散，土壤不沉实。这种情况下，栽秧后易产生浮秧，就是因为胶粒分散，土壤不沉实。这种情况下， 施用石灰（施用石灰（CaOCaO）、石膏（）、石膏（CaSOCaSO4 4），增加），增加CaCa2+ 2+浓度，对沉实土壤， 浓度，对沉实土壤， 改良土性，有明显效果。改良土性，有明显效果。 在生产上的意义 土壤胶体的结构和性质 由于胶体的巨大表面能，使其对周围分子由于胶体的巨大表面能，使其对周围分子 或离子有或离子有很强的吸附力很强的吸附力，同样胶体

26、的电性，同样胶体的电性 使其扩散层的离子与土壤溶液中的离子有使其扩散层的离子与土壤溶液中的离子有 交换能力交换能力。 4. 土壤胶体的吸附性和交换能力土壤胶体的吸附性和交换能力 土壤胶体的结构和性质 第二节第二节 土壤胶体的类型土壤胶体的类型 一、一、 无机胶体无机胶体 土壤胶体的类型 含水氧化铁含水氧化铁 含水氧化铝含水氧化铝 含水氧化硅含水氧化硅 次生铝硅酸盐类次生铝硅酸盐类 （即粘土矿物）（即粘土矿物） 主要包括：主要包括： SiO2.H2OH2SiO3 带负电带负电 H2SiO3 H+ HSiO3-H+ SiO32- 1. 1.含水氧化硅胶体：含水氧化硅胶体： （游离态无定型）（游离态

27、无定型） 注：土壤反应越偏碱性，硅酸的解离注：土壤反应越偏碱性，硅酸的解离 度也越大，所带的负电荷也越多。度也越大，所带的负电荷也越多。 土壤胶体的类型 此类胶体包括此类胶体包括褐铁矿褐铁矿（2Fe2Fe2 2O O3 33H3H2 2O O）、）、水赤铁矿水赤铁矿 （3Fe3Fe2 2O O3 3HH2 2O O）、）、针铁矿针铁矿（FeFe2 2O O3 3HH2 2O O）、）、水铝矿水铝矿 （AlAl2 2O O3 3HH2 2O O）、）、三水铝矿三水铝矿（AlAl2 2O O3 33H3H2 2O O）等晶质矿物）等晶质矿物 和和氢氧化铁氢氧化铁Fe(OH)Fe(OH)3 3 、氢

28、氧化铝氢氧化铝Al(OH)Al(OH)3 3 等非晶质矿等非晶质矿 物。这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为物。这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为两两 性胶体性胶体。 2. 2.含水氧化铁、铝：（两性胶体）含水氧化铁、铝：（两性胶体） 土壤胶体的类型 Al(OH)3+H+Al(OH)2+H2O （pH5） 纯净的氢氧化铁的等电点为纯净的氢氧化铁的等电点为pH7.1pH7.1，氢氧化铝等，氢氧化铝等 电点为电点为pH8.1pH8.1，所以它们在大多数酸性或中性土，所以它们在大多数酸性或中性土 壤中都带正电荷。壤中都带正电荷。 土壤胶体的类型 其成分为水化的硅、铝二三氧化物，简化的分子式

29、为：其成分为水化的硅、铝二三氧化物，简化的分子式为： xSiO2yAl2O3nH2O 。 水铝英石的硅氧四面体中由水铝英石的硅氧四面体中由Al3+置换置换Si4+可产生净负电荷，可产生净负电荷， 同时表面有同时表面有AlOH、SiOH 。 当溶液碱性增加、当溶液碱性增加、pH增大时产生以下解离而带负电：增大时产生以下解离而带负电： =Al - OH pH加大加大 =Al - O- + H+ Si - OH Si - O- + H+ 因此，水铝英石表面可吸附很多阳离子，其表面积很大，因此，水铝英石表面可吸附很多阳离子，其表面积很大， 阳离子交换量可达阳离子交换量可达154210cmol(+)kg

30、-1。 3. 3.水铝英石水铝英石 （非晶质无定形的胶态）（非晶质无定形的胶态） 土壤胶体的类型 4. 4.黏土矿物黏土矿物 （次生层状铝硅酸盐类）（次生层状铝硅酸盐类） 大多是结晶层状构造，由大多是结晶层状构造，由硅氧片硅氧片（由硅四面体连（由硅四面体连 接而成）和接而成）和水铝片水铝片（由铝八面体连接而成）迭合（由铝八面体连接而成）迭合 而成。而成。 水铝片层面上氧离子的电价不饱和，可与氢离子水铝片层面上氧离子的电价不饱和，可与氢离子 结合成结合成OHOH群，形成水铝矿，或与硅氧片结合，共群，形成水铝矿，或与硅氧片结合，共 用氧离子，形成铝硅酸盐粘土矿物。用氧离子，形成铝硅酸盐粘土矿物。

31、根据其迭合情况的不同，可将粘土矿物分为不同根据其迭合情况的不同，可将粘土矿物分为不同 类型。类型。 土壤胶体的类型 硅氧片、硅氧四面体硅氧片、硅氧四面体 硅四面体硅四面体 可以共用氧原子可以共用氧原子 而形成一层，氧而形成一层，氧 原子排列成为中原子排列成为中 空的六角形，称空的六角形，称 硅氧片或硅氧层硅氧片或硅氧层。 土壤胶体的类型 铝氧八面体铝氧八面体 由六个氧原子由六个氧原子 （或氢离子）环（或氢离子）环 绕着一个中心铝绕着一个中心铝 离子排列而成，离子排列而成， 氧原子排列成两氧原子排列成两 层，铝原子居于层，铝原子居于 两层中心孔穴内，两层中心孔穴内， 称水铝片。称水铝片。 土壤胶

32、体的类型 由由一个硅氧片一个硅氧片和和一个水铝片一个水铝片，通过共，通过共 用硅氧顶端用硅氧顶端 的氧原子连接起来的片的氧原子连接起来的片 状晶格构造。状晶格构造。 ( () ) 高岭石（：型铝硅酸盐矿物）高岭石（：型铝硅酸盐矿物） 每个晶层的一面是每个晶层的一面是OH离子离子 组（水铝片上的），另一面组（水铝片上的），另一面 是是O离子（硅氧片上的），离子（硅氧片上的）， 因而叠加时晶层间可形成氢因而叠加时晶层间可形成氢 键，使各晶层之间紧密相连键，使各晶层之间紧密相连 从而形成大颗粒，晶粒多呈从而形成大颗粒，晶粒多呈 六角形片状。六角形片状。 其分子结构外形特征为其分子结构外形特征为 .

33、顶层顶层 底层底层 . 许多晶片相互重叠形成高岭矿物许多晶片相互重叠形成高岭矿物 土壤胶体的类型 特点：特点：晶层与晶层间距离稳定，连接紧密，内部空隙小，晶层与晶层间距离稳定，连接紧密，内部空隙小， 电荷量少，单位个体小，分散度低。多出现于酸性土壤。电荷量少，单位个体小，分散度低。多出现于酸性土壤。 如高岭石类。如高岭石类。 硅氧片硅氧片 铝氧片铝氧片 土壤胶体的类型 水 水 土壤胶体的类型 l 晶格内的水铝片和硅氧片很少发生同晶替代，晶格内的水铝片和硅氧片很少发生同晶替代， 因此因此无永久性电荷无永久性电荷。但水铝片上的。但水铝片上的- - 在一在一 定条件下解离出氢离子，使高岭石定条件下解

34、离出氢离子，使高岭石带负电带负电。 高岭石的性质特点：高岭石的性质特点： l晶片与晶片之间形成晶片与晶片之间形成氢键氢键而结合牢固，水分而结合牢固，水分 子及其他离子难以进入层间，并且形成较大的子及其他离子难以进入层间，并且形成较大的 颗粒。因此其颗粒。因此其吸湿性、粘结性吸湿性、粘结性和和可塑性可塑性较较弱弱， 富含高岭石的土壤富含高岭石的土壤保肥性差保肥性差。 土壤胶体的类型 由由两片硅氧片两片硅氧片和和一片水铝片一片水铝片 结合成的一个晶片（层）单结合成的一个晶片（层）单 元，再相互叠加而成的。元，再相互叠加而成的。 （2 2）蒙脱石类（）蒙脱石类（ ：型铝硅酸盐矿物）：型铝硅酸盐矿物）

35、 每个晶层的两面均由每个晶层的两面均由O离子离子 组（硅氧片上的），因而叠组（硅氧片上的），因而叠 加时晶层间加时晶层间不能形成氢键不能形成氢键， 而是通过而是通过“氧桥氧桥”联结，这联结，这 种联结力弱，晶层易碎裂，种联结力弱，晶层易碎裂， 其晶粒比高岭石小。其晶粒比高岭石小。 土壤胶体的类型 胀缩性大，吸湿性强，胀缩性大，吸湿性强， 易在两边硅氧片中以易在两边硅氧片中以AlAl3+ 3+ 代代Si Si4+ 4+，有时可在硅铝片 ，有时可在硅铝片 中，一般以中，一般以MgMg2+ 2+代 代AlAl3+ 3+ 带负电带负电吸附负离子。吸附负离子。 如蒙脱石，这类矿物多如蒙脱石，这类矿物多

36、出现于北方土壤。如东出现于北方土壤。如东 北、华北的栗钙土、黑北、华北的栗钙土、黑 钙土和褐土等。钙土和褐土等。 硅氧片硅氧片 铝氧片铝氧片 硅氧片硅氧片 特点：特点： 土壤胶体的类型 蛭石蛭石的的膨胀性比蒙脱石要小得多膨胀性比蒙脱石要小得多，其晶层间距，其晶层间距1.45nm，属有限，属有限 膨胀型。它具有一定的内表面，但较蒙脱石小，晶体颗粒介于蒙膨胀型。它具有一定的内表面，但较蒙脱石小，晶体颗粒介于蒙 脱石和高岭石之间。蛭石在黄棕壤和黄壤中含量较高。脱石和高岭石之间。蛭石在黄棕壤和黄壤中含量较高。 蛭石蛭石 也是也是21型型膨胀型粘土矿物，其晶层结构与蒙脱石基本相同，膨胀型粘土矿物，其晶层

37、结构与蒙脱石基本相同， 也是两层硅氧片中夹一层水铝片。也是两层硅氧片中夹一层水铝片。 与蒙脱石不同的是，硅氧片中的与蒙脱石不同的是，硅氧片中的硅大部分被铝所取代硅大部分被铝所取代，水铝片水铝片 中的铝也有不少被镁取代中的铝也有不少被镁取代，因而具有比蒙脱石高得多的净负电，因而具有比蒙脱石高得多的净负电 荷，具有很高的吸附阳离子能力，阳离子交换量达荷，具有很高的吸附阳离子能力，阳离子交换量达150 cmol(+)kg-1。 土壤胶体的类型 2:1型矿物型矿物(蒙脱石、绿泥石、蛭石等蒙脱石、绿泥石、蛭石等) 土壤胶体的类型 （）水云母类）水云母类 （：型粘土矿物）（：型粘土矿物） 结构与蒙脱石相类

38、似，只是同晶结构与蒙脱石相类似，只是同晶 替代产生的负电荷主要被钾离子替代产生的负电荷主要被钾离子 中和中和,而少量被钙镁离子中和。而少量被钙镁离子中和。 特点：特点： a、永久性电荷数量少于蒙脱石。、永久性电荷数量少于蒙脱石。 b、层与层之间由、层与层之间由钾离子中和钾离子中和，使得各层，使得各层 相互紧密结合。形成的颗粒相对比蒙脱石相互紧密结合。形成的颗粒相对比蒙脱石 粗而比高岭石细。其粗而比高岭石细。其粘结性、可塑、胀缩粘结性、可塑、胀缩 性居中性居中。 c、钾离子被固定在硅氧片的六角形网孔、钾离子被固定在硅氧片的六角形网孔 中，当晶层破裂时，可将被固定的钾重新中，当晶层破裂时，可将被固

39、定的钾重新 释放出来，供植物利用。释放出来，供植物利用。 分布广泛，特别在西北干旱地区和高寒地分布广泛，特别在西北干旱地区和高寒地 区，以及风化度浅的土壤。区，以及风化度浅的土壤。 土壤胶体的类型 三种主要粘土矿物的性质比较三种主要粘土矿物的性质比较 粘土粘土 矿物矿物 结结 晶晶 类类 型型 分子层分子层 排列情况排列情况 晶格晶格 距离距离 (nm)(nm) 晶晶 层层 间间 联联 结结 力力 颗颗 粒粒 大大 小小 比面比面 (m(m2 2gg -1 -1) ) CECCEC （ cmol(+)cmol(+) kgkg-1 -1） 粘结粘结 性性 可塑可塑 性性 胀胀 缩缩 性性 高岭石

40、高岭石1:1 -OH层与层与 O层相接层相接 0.72强强大大 5 20 515弱弱弱弱 水云母水云母2:1 -O层相接层相接 中间有中间有K 1.00 较较 强强 中中 10 0 120 2040中等中等 中中 等等 蒙脱石蒙脱石2:1-O层相接层相接 0.9 6 2.14 弱弱小小 70 0 800 80100强强强强 土壤胶体的类型 高岭石高岭石逐渐代替水云母，逐渐代替水云母，铁铝氧化物铁铝氧化物 也迅速增多。也迅速增多。 我国土壤粘土矿物的分布我国土壤粘土矿物的分布 温带干旱的漠境和温带干旱的漠境和 半漠境地带：半漠境地带： 风化程度低，化学风化程度弱，以风化程度低，化学风化程度弱，以

41、 形成水化度低的形成水化度低的水云母为主水云母为主，蒙脱，蒙脱 石不多。石不多。 半干旱草原地区：半干旱草原地区： 蒙脱石迅速增加，结晶良好，以蒙脱石迅速增加，结晶良好，以 蒙脱石和水云母为主蒙脱石和水云母为主。 暖温带湿润地区：暖温带湿润地区： 蛭石显著增加，以蛭石显著增加，以水云母水云母蛭石为蛭石为 主主，说明环境有利于进一步脱钾。，说明环境有利于进一步脱钾。 中亚热带以南地区：中亚热带以南地区： 土壤胶体的类型 二二 、有机胶体、有机胶体 特点：特点： 高分子有机化合物，高度亲水性。高分子有机化合物，高度亲水性。 带负电，并且电荷数量多于黏土矿物，因此阳离子交换量大。带负电，并且电荷数量

42、多于黏土矿物，因此阳离子交换量大。 保肥性强，但不稳定（因受微生物作用而分解）保肥性强，但不稳定（因受微生物作用而分解） 主要是腐殖质。主要是腐殖质。 少量的木素、蛋白质、纤维素等。少量的木素、蛋白质、纤维素等。 腐殖质的电荷是由腐殖质含的腐殖质的电荷是由腐殖质含的羧基（羧基（-COOH-COOH）、羟基（羟基（-OH-OH）、 酚羟基解离出酚羟基解离出H H+ +、-COO-COO- -、-O-O- -等离子等离子留在胶粒上而使胶粒留在胶粒上而使胶粒带负电带负电。 一般每千克腐殖一般每千克腐殖 质的代换量在质的代换量在200 200 cmol(+)kgcmol(+)kg-1 -1左右，左右，

43、 高者可达高者可达500500 10001000 cmol(+)kg cmol(+)kg-1 -1 土壤胶体的类型 三、三、 有机无机复合胶体有机无机复合胶体 通过通过Ca2+而而结合。结合。 有机胶体与铁铝胶体的结合。有机胶体与铁铝胶体的结合。 有机胶体与无机胶体的直接结合。有机胶体与无机胶体的直接结合。 有机胶体以薄膜状紧密盖覆于粘土矿物表面通过阳离子有机胶体以薄膜状紧密盖覆于粘土矿物表面通过阳离子 与与-COOH-COOH、-OH-OH等官能团形成复合体。等官能团形成复合体。 结合方式结合方式 土壤胶体的类型 在生产上的意义 我国劳动人民在长期生产实践中，充分体会到有机我国劳动人民在长期

44、生产实践中，充分体会到有机 无机复合体的重要，创造了施用有机肥加速土壤有无机复合体的重要，创造了施用有机肥加速土壤有 机无机复合体形成的措施，群众称之为机无机复合体形成的措施，群众称之为土肥相融土肥相融。 土壤有机无机复合胶体的形成，有利于土壤结构的土壤有机无机复合胶体的形成，有利于土壤结构的 形成，改善土壤理化性质。形成，改善土壤理化性质。如复合体中的胡敏酸，如复合体中的胡敏酸， 比单独存在时分解显著减慢，并可使土壤中有效磷比单独存在时分解显著减慢，并可使土壤中有效磷 增加，增强土壤的缓冲性能等。增加，增强土壤的缓冲性能等。 土壤胶体的类型 第三节第三节 土壤阳离子交换作用土壤阳离子交换作用

45、 一、土壤阳离子交换吸附作用的概念一、土壤阳离子交换吸附作用的概念 土壤胶体表面所吸附的阳离子，与土壤溶液中的阳离子土壤胶体表面所吸附的阳离子，与土壤溶液中的阳离子 或不同胶粒上的阳离子相互交换的作用，称为阳离子交或不同胶粒上的阳离子相互交换的作用，称为阳离子交 换吸附作用。换吸附作用。 土壤胶粒土壤胶粒Ca2+ +2KCl = 土壤胶粒土壤胶粒 K+ K+ + CaCl2 阳离子交换作用对土壤中养分的保持和供应起着重要作用。阳离子交换作用对土壤中养分的保持和供应起着重要作用。 当土壤溶液中阳离子吸附在胶体上时，表示阳离子养分的暂时保蓄，当土壤溶液中阳离子吸附在胶体上时，表示阳离子养分的暂时保

46、蓄， 即即保肥过程保肥过程；当胶体上的阳离子解离至土壤溶液中时，表示养分的释；当胶体上的阳离子解离至土壤溶液中时，表示养分的释 放，即放，即供肥过程供肥过程。 阳离子交换 二、土壤阳离子交换吸附作用的特点二、土壤阳离子交换吸附作用的特点 1. 1. 可逆反应可逆反应 在湿润地区的一般酸性土壤中，吸附的阳离子有在湿润地区的一般酸性土壤中，吸附的阳离子有Al3+、H+、 Ca2+、Mg2+、K+等；在干旱地区的中性或碱性土壤中，主要的等；在干旱地区的中性或碱性土壤中，主要的 吸附性阳离子是吸附性阳离子是Ca2+，其次有，其次有Mg2+、K+、Na+等。等。 因此，在自然状况下，很难把土壤胶体上某一

47、阳离子完全彻底地因此，在自然状况下，很难把土壤胶体上某一阳离子完全彻底地 代换到溶液中去。同时，土壤胶体上吸附的阳离子也必然是多种代换到溶液中去。同时，土壤胶体上吸附的阳离子也必然是多种 多样的，不可能为单一种离子所组成。多样的，不可能为单一种离子所组成。 阳离子交换 2. 等量交换等量交换 以等量电荷关系进行。以等量电荷关系进行。 如一个如一个Ca2+可交换两个可交换两个Na+；一个二价的钙；一个二价的钙 离子可以交换两个一价的氢离子。离子可以交换两个一价的氢离子。 阳离子交换 3. 速度受交换点位置和温度的影响速度受交换点位置和温度的影响 位置：位置： 如果溶液中的离子能直接与胶粒表面代换

48、性离子接触，交换速度就如果溶液中的离子能直接与胶粒表面代换性离子接触，交换速度就 快；如离子要扩散到胶粒内层才进行交换，则交换时间就较长，有快；如离子要扩散到胶粒内层才进行交换，则交换时间就较长，有 的需要几昼夜才能达成平衡。的需要几昼夜才能达成平衡。 高岭石高岭石类矿物交换作用主要发生在胶粒表面边缘上，所以类矿物交换作用主要发生在胶粒表面边缘上，所以速率很快速率很快； 蒙脱石蒙脱石类矿物的离子交换大部分发生在胶粒晶层之间，其速率取决类矿物的离子交换大部分发生在胶粒晶层之间，其速率取决 于层间间距或膨胀程度；水云母类的交换作用发生在狭窄的晶层间，于层间间距或膨胀程度；水云母类的交换作用发生在狭

49、窄的晶层间， 所以所以交换速率较慢交换速率较慢。 温度温度： 高温可加快离子交换反应的速率，因为温度升高，离子的热运动变得高温可加快离子交换反应的速率，因为温度升高，离子的热运动变得 更为剧烈，致使单位时间内碰撞固相表面的次数增多。更为剧烈，致使单位时间内碰撞固相表面的次数增多。 阳离子交换 三、影响阳离子交换作用的因素三、影响阳离子交换作用的因素 1. 1.阳离子的交换能力阳离子的交换能力 主要决定于阳离子被胶粒吸附的力量（或称阳离主要决定于阳离子被胶粒吸附的力量（或称阳离 子与胶体的结合强度），它实质上是阳离子与胶子与胶体的结合强度），它实质上是阳离子与胶 体之间的静电能。体之间的静电能。

50、 是指一种阳离子将是指一种阳离子将 胶体上另一种阳离胶体上另一种阳离 子交换下来的能力。子交换下来的能力。 阳离子交换 b. b.离子的半径及水化程度：离子的半径及水化程度： 同价离子，同价离子，离子半径大水化半径小，交换能力越强。离子半径大水化半径小，交换能力越强。 离离 子子价价 数数原原 子子 量量 离子半径（离子半径（nm） 代换力顺代换力顺 序序 未未 水水 化化水水 化化 Na+123.000.0930.7906 NH4+118.010.1430.5325 K+139.100.1330.5374 Mg2+224.320.0781.3303 Ca2+240.080.1061.0002

51、 H+11.0081 a. 离子电荷价离子电荷价 ： M3+ M2+ M+（M表示阳离子）表示阳离子） 离子价、离子半径及水化程度与交换力的关系离子价、离子半径及水化程度与交换力的关系 阳离子交换 c. 离子运动速度：离子运动速度： 凡离子运动速度愈大的，其交换力也愈大。例如氢离子就是凡离子运动速度愈大的，其交换力也愈大。例如氢离子就是 这样，而且氢离子水化很弱，通常这样，而且氢离子水化很弱，通常H H+ +只带一个水分子，即以只带一个水分子，即以 H H3 3O O+ +的形态参加交换，水化半径很小，因此它在交换力上具的形态参加交换，水化半径很小，因此它在交换力上具 有特殊位置。有特殊位置。

52、 阳离子交换能力顺序：阳离子交换能力顺序： Fe3 + Al 3+ H + Ca2 + Mg 2+ K + NH4+ Na+ 阳离子交换 2. 2.阳离子的相对浓度及交换生成物的性质阳离子的相对浓度及交换生成物的性质 阳离子交换作用也受质量作用定律所支配，如果溶液中某种离阳离子交换作用也受质量作用定律所支配，如果溶液中某种离 子的浓度较大，则虽其交换能力较小，同样能把胶体上交换能子的浓度较大，则虽其交换能力较小，同样能把胶体上交换能 力较大的其它阳离子代换下来。另外，当交换后形成不溶性或力较大的其它阳离子代换下来。另外，当交换后形成不溶性或 难溶性物质时，或将其交换后的生成物不断除去时，都可使

53、交难溶性物质时，或将其交换后的生成物不断除去时，都可使交 换作用继续进行。换作用继续进行。 阳离子交换 3. 3. 胶体性质胶体性质 l交换量大的胶体（如蒙脱石）结合两价离子的能力强，交换量大的胶体（如蒙脱石）结合两价离子的能力强， 结合一价离子的能力稍弱；结合一价离子的能力稍弱； l交换量小的胶体（如高岭石）则结合一价离子能力强，交换量小的胶体（如高岭石）则结合一价离子能力强， 与两价离子的结合能力较弱，即一价离子可将两价离子交与两价离子的结合能力较弱，即一价离子可将两价离子交 换下来。换下来。 l 又如：水云母具有六角形网孔（晶孔），容易吸附与又如：水云母具有六角形网孔（晶孔），容易吸附与

54、 其孔径大小相当的其孔径大小相当的K K+ +和和NHNH4 4+ +，这些离子一旦进入六角，这些离子一旦进入六角 形孔穴，即可发生配位作用，很难出来，只有当晶层形孔穴，即可发生配位作用，很难出来，只有当晶层 破裂时，被固定的破裂时，被固定的K K+ +、NHNH4 4+ +方可重新释放出来。方可重新释放出来。 阳离子交换 四、土壤阳离子交换量四、土壤阳离子交换量 （一）定义：（一）定义： 在一定土壤在一定土壤pHpH值条件下，土壤能吸附的交换性阳离子的值条件下，土壤能吸附的交换性阳离子的 总量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交换性阳离子总量。通常以每千克土壤所能吸附的全部交换性阳离子 的厘摩

55、尔数（的厘摩尔数（ Cation Exchange CapacityCation Exchange Capacity， CECCEC）。）。 单位：单位：cmolcmol（+ +）kgkg-1 -1 。 注：因为阳离子交换量随土壤注：因为阳离子交换量随土壤pHpH值变化而变化（因可变电荷变化），值变化而变化（因可变电荷变化）， 一般未特别注明时，是以一般未特别注明时，是以pHpH为为7 7的条件下测定土壤的交换量。的条件下测定土壤的交换量。 阳离子交换量的大小与土壤可能吸附的速效养分（即阳离子）的容量阳离子交换量的大小与土壤可能吸附的速效养分（即阳离子）的容量 有关，是有关，是土壤保肥力的重要

56、指标土壤保肥力的重要指标。 阳离子交换 （二）影响（二）影响CECCEC的因素的因素 1. 1. 胶体数量胶体数量 （土壤质地）（土壤质地） 土壤胶体物质越多（包括土壤胶体物质越多（包括 矿质胶体、有机胶体和复矿质胶体、有机胶体和复 合胶体），则合胶体），则CECCEC越大。越大。 就矿质胶体而言，就矿质胶体而言，CECCEC随随 着质地粘重程度增加而增着质地粘重程度增加而增 加，所以粘质土加，所以粘质土CECCEC较砂较砂 质土要大的多。质土要大的多。 质地质地阳离子交换量阳离子交换量 （cmol(+)kg-1) 砂土砂土1-5 砂壤土砂壤土7-8 壤土壤土7-18 粘土粘土25-30 阳离

57、子交换 2. 胶体类型胶体类型 不同土壤胶体阳离子交换量相差很大不同土壤胶体阳离子交换量相差很大 胶休胶休 种类种类 腐殖质腐殖质蛭石蛭石蒙脱石蒙脱石水云母水云母高岭石高岭石含水氧化铁、含水氧化铁、 铝铝 CEC （cmol(+)kg-1)150-500100-15060-10020-403-15微量微量 比表面比表面 （m2g-1) 800-1000700800100-2005-20- 有机有机无机，无机， 2:11:1，粘土矿物，粘土矿物含水的氧化物含水的氧化物 粘土矿物主要通过两个方面影响粘土矿物主要通过两个方面影响C： a、粘土矿物的比表面积粘土矿物的比表面积: 蛭石、蒙脱石蛭石、蒙脱

58、石水铝英石水铝英石 、水云母、水云母 高岭石高岭石 b、粘土矿物所带的电荷数量粘土矿物所带的电荷数量 阳离子交换 3. 土壤土壤pH值：值： 土壤酸碱度影响胶体表面官能团中土壤酸碱度影响胶体表面官能团中H+的解离，的解离， 因而影响因而影响可变电荷可变电荷的多少。的多少。 pH4.5pH6.4pH8.1 沼泽土胡敏酸沼泽土胡敏酸170.0286.3400.0 灰化土胡敏酸灰化土胡敏酸234.0410.0508.7 黑钙土胡敏酸黑钙土胡敏酸292.2432.9590.5 pH2.5-6pH7 高岭石高岭石410 蒙脱石蒙脱石95100 阳离子交换 4. 土壤有机质含量：土壤有机质含量： 有机质中

59、的腐殖质含有大量有机质中的腐殖质含有大量-COOH-COOH、-OH-OH等官能等官能 团，当它们解离出团，当它们解离出H H+ +时，可使胶体带有大量负电时，可使胶体带有大量负电 荷，而且腐殖质分散度大，具有很大的吸收表面。荷，而且腐殖质分散度大，具有很大的吸收表面。 所以腐殖质的所以腐殖质的CECCEC远远大于无机胶体。远远大于无机胶体。 施用有机肥料，增加土壤腐殖质，可以提施用有机肥料，增加土壤腐殖质，可以提 高高CECCEC，增强土壤保肥性。，增强土壤保肥性。 阳离子交换 附：主要粘土矿物的（附：主要粘土矿物的（p=7） （cmol（+）kg-1 水铝英石水铝英石 50-100 针铁矿

60、、三水铝石针铁矿、三水铝石 0.5-1.0 (pH,8.0) 水合氧化硅水合氧化硅 4.6(pH,8.0) 高岭石高岭石 4.6 伊利石伊利石 15-40 蒙脱石蒙脱石 60-120 膨润土膨润土 59-120 蛭石蛭石 120-200 阳离子交换 几种不同土壤的腐殖质的几种不同土壤的腐殖质的 H F pH 8.02 5.50 8.02 5.50 黑土黑土1 682 344 - - 黑土黑土2 642 358 736 514 花岗砖红壤花岗砖红壤 560 310 800 583 武砖红壤武砖红壤 - - 780 556 阳离子交换 土壤交换量的大小，基本上代表了土壤的保持养土壤交换量的大小，基