8土壤胶体化学和表面反应课件

第八章土壤胶体化学和表面反应1概况1

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您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。+++整体概况2第八章土壤胶体化学和表面反应

1、本章的基本原理是理解土壤化学性质的基础；2、土壤胶体的表面性质对土壤的理化性质有全面深刻的影响；学好本章可对各章融会贯通。3、土壤胶体化学是土壤化学的核心内容之一。教学目标3

土壤胶体的概念：土壤胶体(土壤胶体）：土壤中粒径<1μm或2μm的矿物质颗粒和腐殖质（分散相）分散在土壤溶液（分散介质）中的分散体系。胶体是指直径在1—100nm之间的颗粒，但是实际上土壤中直径＜1000nm的粘粒都具有胶体的性质，所以通常所说的土壤胶体实际上是指直径在1—1000nm之间的土壤颗粒，它是土壤中最细微的部分。4第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质一、土壤胶体表面类型（胶体电荷的来源）（一）硅氧烷型表面（2：1的粘土矿物表面）Si—O--Si5(二）水合氧化物型表面M–OH粘粒表面配位金属离子或硅离子（三）有机物表面羟基、羧基等带负电荷的基团。6二、土壤胶体的比表面和表面积外表面：粘土矿物、Fe、Al、Si等氧化物、腐殖质分子暴露在外的表面。内表面：主要指的是层状硅酸盐矿物晶层之间的表面以及腐殖质分子聚集体内部的表面。比表面：单位重量或单位体积物体的总表面积，很显然颗粒越小，比表面越大。7

砂粒与粗粉粒的比表面相对于粘粒来讲很小，可以忽略不计，所以土壤的比表面实际上主要取决于粘粒。另外土粒的表面凸凹不平，并非光滑的球体，它的比表面比光滑的球体要大，而且粉粒和粘粒大多呈片状比表面更大。有些无机胶体（比如蒙脱石类粘土矿物）除了有巨大的外表面，而且表面可向晶层之间扩展，还有巨大的内表面。8

有机胶体除了有巨大的外表面，同样也有巨大的内表面。所以有机胶体同样有巨大的比表面。比如腐殖质分子比表面可高达1000㎡/g。由于土壤胶体有巨大的比表面，所以会产生巨大的表面能，物体内部的分子周围是与它相同的分子，所以在各个方向上受的分子引力相等而相互抵消。而表面分子则不同，它与外界的气体或液体接触，在内外两面受到的是不同的分子引力，不能相互抵消，所以具有剩余的分子引力，由此而产生表面能，这种表面能可以做功，吸附外界分子，胶体数量越多，比表面越大，表面能也越大，吸附能力也愈强。910(一)土壤胶体的表面积表8－1土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2·g-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700-750400-7500-500400130-40015-1501-5090-1505-4010-4525-30130-400700-850400-80090-1505-4010-45430260-80011我国几种主要土壤的比表面积：砖红壤60－80m2g-1

红壤100－150m2g-1

黄棕壤200－300m2g-1

总之,2：1型粘土矿物和有机质的含量越高，土壤的比表面积越大。12土壤带有电荷，这些电荷主要集中在胶体部分。（电荷数量，电荷密度）吸附离子的多少与电荷数量有关，吸附的牢固程度与电荷密度有关。离子在土壤中的移动和扩散，土壤有机-无机复合体的形成及土壤分散、絮凝、收缩等性质，都受到电荷的影响。13三、土壤表面电荷和电位

（一）土壤电荷的起因和种类

1、永久电荷(permanentcharge)***

永久电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。

2、可变电荷(variablecharge)***

随pH的变化而变化的土壤电荷，这种电荷称为可变电荷。零点电荷：如果在某个pH值时，粘土矿物表面上即不带正电荷，也不带负电荷，其表面电荷等于零，此时的pH值称为零点电荷（ZPC）。14zeropointcharge;ZPC定义：胶体表面净电荷为零时溶液的pH值。电荷零点可因专性吸附等的影响而呈非固定值。15可变电荷的成因主要是胶核表面分子或原子团的解离：

A.含水氧化硅的解离

B.粘粒矿物的晶面上的OH和H的解离

C.腐殖质上某些官能团的解离

D.含水氧化物和水铝石表面的分子中OH的解离；pH<3.2

从上述四种情况来看，土壤胶体所带的电荷数量和性质与介质的pH值有密切关系。163、正电荷游离氧化铁产生正电荷。4、净电荷正电荷和负电荷的代数和就是土壤的净电荷。17土壤电荷数量一般用每千克干土吸附离子的厘摩尔数来表示，最常见的阳离子交换量即为pH为7时土壤的净负电荷。（阳离子交换量，CEC，cationexchangecapacity)阴离子交换量（AEC，anionexchangecapacityCECp,CECv（二）土壤的电荷数量**18

土壤胶体的分布特征？1、土壤电荷主要集中在胶体部分。小于2微米的土壤胶体是土壤电荷的主题，80%以上的电荷集中在胶体部分。2、胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础，土壤胶体组成不同，其所带电荷的数量也不同。含有较多蛭石、蒙脱石、有机质的土壤胶体，电荷数量较多。3、土壤胶体组分间的相互作用对电荷数量有影响。游离铁铝氧化物等多胶体的包被作用使胶体的电荷数量减少。

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当静电引力与热扩散相平衡时，在带电胶体表面与溶液的界面上，形成了由一层固相表面电荷和一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布的空间结构，称为双电层***(图8-2)。（三）土壤胶体表面电位图8－2双电层模型

20第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应

一、离子吸附的一般概念

根据物理化学的反应，溶质在溶剂中呈不均一的分布状态，溶剂表面层中的浓度与溶液内部不同的现象称为吸附作用**。

凡使液体表面层中溶质的浓度大于液体内部浓度的作用称为正吸附，反之则称为负吸附.21二、阳离子静电吸附

由库仑定律可知:土壤胶体表面所带的负电荷愈多，吸附的阳离子数量就愈多；土壤胶体表面的负电荷密度愈大，阳离子所带的电荷愈多，则离子吸附得愈牢。M3+>M2+>M+

Al3＋>Mn2＋>Ca2＋>K+

Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+

阳离子静电吸附22表8－2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)0.0780.0980.1330.1430.149离子的水合半径(nm)1.0080.7900.5370.5320.509弱

强23三、阳离子交换

（一）阳离子交换作用***

在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对这种能相互交换的阳离子叫做交换性阳离子，而把发生在土壤胶体表面的阳离子交换反应称之为阳离子交换作用***。

24（1）阳离子交换作用是可逆反应。（2）交换是等当量进行的。（3）阳离子交换受质量作用定律的支配。***阳离子交换作用的特征：25

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，也能表示土壤保肥能力、缓冲能力的大小。

CEC<1010~20>20 ***（二）土壤阳离子交换量(cationexchangecapacity)-CEC

是指土壤溶液为中性（pH=7）时，每千克土所含的全部交换性阳离子的厘摩尔数称为土壤的阳离子交换量。（CEC：cmol(+)kg-1

）保肥能力低中高26ESP—exchangeablesodiumpercentage

指交换性钠离子占交换性阳离子总量的百分数。SAR—sodiumadsorptionratio

指溶液中Na+浓度与Ca2+、Mg2+浓度之和的平方根的比值。ESR—exchangeablesodiumratio

指溶液中交换性钠与交换性Ca2+、Mg2+离子浓度之和的比值。27***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CEC1~57~815~1825~3028表8-3不同类型土壤胶体的阳离子交换量

土壤胶体CEC[cmol(+).kg-1]

腐殖质蛭石蒙脱石伊利石高岭石倍半氧化物200100-15070-9510-403-152-429(三）．盐基离子与盐基饱和度（1）盐基离子与致酸离子***在土壤里，被胶体吸附着的阳离子，可以分为两类：

第一类是氢离子和铝离子，它们是致酸离子，与土壤的酸度有密切关系。

第二类是其他的一些金属离子，如Ca2+、Mg2+、K+、NH4+……等，在古典化学上，它们都称为盐基离子。30（2）盐基饱和度(casesaturationpercentage)CSP

在土壤胶体所吸附的阳离子中，盐基离子的数量占所有吸附的阳离子的百分比，叫盐基饱和度***。盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应；而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤；

100%31（四）交换性离子的有效度 **影响交换离子有效度的因素主要有：（1）离子饱和度

离子的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效度就越大

（2）土壤中的互补离子效应（H+Ca2+Mg2+K+)某离子的互补离子被土壤胶体吸附的力越强，该离子的有效度就越高。Fe3+Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+

32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)ABC40%Ca+60%H40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na2.802.792.3411.157.834.36

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（陪伴离子效应）33（3）粘土矿物类型的影响蒙脱石类矿物吸附的阳离子一般位于晶层之间，吸附比较牢固，因而有效性较低，而高岭石类矿物吸附的阳离子一般位于晶格的外面，有效性较高。34全国土壤粘土矿物分布划分为7个区1.水云母区2.水云母—蒙脱石区3.水云母—蛭石区4.水云母—蛭石—高岭区5.蛭石—高岭区6.高岭—水云母区7.高岭区35四、阳离子的专性吸附（一）阳离子专性吸附的机理

过渡金属离子由于原子核的电荷数较多，离子半径较小，因而有较强的极化能力，能够与配位体形成稳定的络合物，稳定性增加。另外过渡金属离子容易形成水合物，减少了离子的平均电荷，致使离子在向其靠近时所需克服的能力障碍降低，有利于与表面的相互作用。产生阳离子专性吸附的土壤胶体物质主要是铁、铝、锰等的氧化物及其水合物。

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层状硅酸盐矿物在某些情况下对重金属离子也可以产生专性吸附作用

37阳离子专性吸附的实际意义:

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。

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富集作用，其中以氧化锰和氧化铁的作用更为明显。38

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，可以抑制植物对铅的吸收，

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，专性吸附作用也给土壤带来了潜在的污染危险。39第三节土壤胶体对阴离子的吸附与交换（一）土壤吸附的阴离子 土壤中的阴离子依其吸附能力的大小可分为三类： 1．易被吸附的阴离子最重要是：

H2PO4-HPO42-PO43- HsiO3-SiO32-