土壤膠體化學和表面化學PPT學習教案

1、會計學1 土壤膠體化學和表面化學土壤膠體化學和表面化學 第1頁/共37頁 二、水合氧化物型表面 三、有機物表面 第2頁/共37頁 第3頁/共37頁 第二節(jié)土壤膠體表面性質第二節(jié)土壤膠體表面性質 （一）土壤膠體的表面積（一）土壤膠體的表面積 表82 土壤中常見粘土礦物的比表面積（m2g-1） 膠體成分內表面積外表面積總表面積 蒙脫石 蛭 石 水云母 高嶺石 埃洛石 水化埃洛石 水鋁英石 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、土壤膠體的比表面土壤膠體的比表面 第4頁/共37頁 我國幾種主要土壤的比表面積：我國幾種主要土壤的比表面積： (二)比表面積的測定方法 1、儀器法 2、吸附法 氮氣、甘油、乙二醇醚等 總之：總之：2：1型黏土礦物和有機質的含量越型黏土礦物和有機質的含量越 高，土壤的比表面積越大。高，土壤的比表面積越大。 第5頁/共37頁 二、土壤膠體表面電荷二、土壤膠體表面電荷 （一）土壤膠體電荷的種類（一）土壤膠體電荷的種類 1、永久電荷、永久電荷(permanent charge) 永久電荷永久電荷起源于礦物晶格內部離子的同晶置換。起源于礦物晶格內部離子的同晶置

3、換。 2、可變電荷、可變電荷(variable charge) 隨隨pH的變化而變化的土壤電荷，這種電荷的變化而變化的土壤電荷，這種電荷 稱為稱為可變電荷可變電荷。 第6頁/共37頁 可變電荷的成因主要是膠核表面分子或原子團可變電荷的成因主要是膠核表面分子或原子團 的解離：的解離： A. 含水氧化硅的解離含水氧化硅的解離 B. 粘粒礦物的晶面上的粘粒礦物的晶面上的OH-和和H+的解的解 離離 C. 腐殖質上某些官能團的解離腐殖質上某些官能團的解離 D. 含水氧化和水鋁石表面的分子中含水氧化和水鋁石表面的分子中 OH-的解離；的解離； pHM2+M+ Al3 Mn2Ca2K+ Rb+NH4+K+

4、Na+Li+ 1 1、陽離子靜電吸附、陽離子靜電吸附 第16頁/共37頁 表表8 84 4 離子半徑與吸附力離子半徑與吸附力 一價離子Li+Na+K+NH+4Rb+ 離子的真實半徑 (nm) 0.0780.09 8 0.13 3 0.14 3 0.14 9 離子的水合半徑 (nm) 1.0080.79 0 0.53 7 0.53 2 0.50 9 弱弱 強強 離子在膠體上的 吸附力 第17頁/共37頁 三、陽離子交換作用 在土壤中，被膠體靜電吸附的陽離子，一般都在土壤中，被膠體靜電吸附的陽離子，一般都 可以被溶液中另一種陽離子交換而從膠體表面解可以被溶液中另一種陽離子交換而從膠體表面解 吸。對

5、這種能相互交換的陽離子叫做吸。對這種能相互交換的陽離子叫做交換性陽離交換性陽離 子子，而把發(fā)生在土壤膠體表面的陽離子交換反應而把發(fā)生在土壤膠體表面的陽離子交換反應 稱之為稱之為陽離子交換作用陽離子交換作用。 第18頁/共37頁 （1）陽離子交換作用是可逆反應。 （2）陽離子交換遵循等價交換的原則。 （3）陽離子交換符合質量作用定律。 陽離子交換作用的特征: 第19頁/共37頁 陽離子交換量是評價土壤肥力的一個指標。陽離子交換量是評價土壤肥力的一個指標。 它直接反應土壤可以提供速效養(yǎng)分的數量，也它直接反應土壤可以提供速效養(yǎng)分的數量，也 能表示土壤保肥能力、緩沖能力的大小。能表示土壤保肥能力、緩沖

6、能力的大小。 CEC 20 保肥能力 低中高 四、土壤陽離子交換量四、土壤陽離子交換量(cation exchange (cation exchange capacity)-CECcapacity)-CEC 是指土壤溶液為中性是指土壤溶液為中性（pH = 7pH = 7）時，每千時，每千 克土壤吸附的一價離子的厘摩爾數稱為土壤的克土壤吸附的一價離子的厘摩爾數稱為土壤的 陽離子交換量陽離子交換量。（CECCEC：cmol(+)kg-1 cmol(+)kg-1 ） 第20頁/共37頁 表表8-35 8-35 不同類型土壤膠體的陽離子交換量不同類型土壤膠體的陽離子交換量 土壤膠體 CECcmol(+

7、).kg-1 腐殖質 蛭 石 蒙脫石 伊利石 高嶺石 倍半氧化物 200 100-150 70-95 10-40 3-15 2-4 第21頁/共37頁 *影響土壤陽離子交換量的因素有：影響土壤陽離子交換量的因素有： （1）質地 質地越粘重，含粘粒越多的土壤， 其陽離子交換量也越大。 （2）有機質 OM % CEC （3）膠體的性質及構造 蒙脫石 高嶺石 （4）pH值 在一般情況下，隨著pH的升高，土壤 的可變電荷增加，土壤的陽離子交換量也增加。 質地砂土砂壤土壤土粘土 CEC157815182530 第22頁/共37頁 五鹽基飽和度五鹽基飽和度 （1 1）鹽基離子與致酸離子）鹽基離子與致酸離子

8、 在土壤里，被膠體吸附著的陽離子，可在土壤里，被膠體吸附著的陽離子，可 以分為兩類：以分為兩類： 第一類第一類是氫離子和鋁離子，它們是是氫離子和鋁離子，它們是致酸離致酸離 子子，與土壤的酸度有密切關系。，與土壤的酸度有密切關系。 第二類第二類是其他的一些金屬離子，如是其他的一些金屬離子，如CaCa2+ 2+、 、 MgMg2+ 2+、 、K K+ +、NHNH4 4+ +等，在普通化學上，它等，在普通化學上，它 們都稱為們都稱為鹽基離子鹽基離子。 第23頁/共37頁 （2 2）鹽基飽和度鹽基飽和度(base saturation percentage)BSP(base saturation p

9、ercentage)BSP 在土壤膠體所吸附的陽離子中，交換性鹽基離子在土壤膠體所吸附的陽離子中，交換性鹽基離子 的數量占陽離子交換量的百分數，叫的數量占陽離子交換量的百分數，叫鹽基飽和度鹽基飽和度。 鹽基飽和的土壤具有鹽基飽和的土壤具有中性或堿性反應中性或堿性反應； 而鹽基不飽和的土壤則具有酸性反應，為而鹽基不飽和的土壤則具有酸性反應，為酸性土壤酸性土壤； 克土）量陽離子交換量（毫克當 克土）當量交換性鹽基總量（毫克 鹽基飽和度 100/ 100/ 100% 第24頁/共37頁 六交換性陽離子的有效度六交換性陽離子的有效度 影響交換離子有效度的因素主要有：影響交換離子有效度的因素主要有： （

10、一）離子飽和度（一）離子飽和度 離子的飽和度越大，被解吸的機會就越大，有效離子的飽和度越大，被解吸的機會就越大，有效 度度 就越大就越大 （二）互補離子效應（二）互補離子效應 （三）黏土礦物類型（三）黏土礦物類型 （四）陽離子的固定（四）陽離子的固定 第25頁/共37頁 表8-5 互補離子與交換性鈣的有效 性 土壤 交換性陽離子 組成 小麥幼苗干 重(g) 小麥幼苗吸鈣 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 在土壤膠體上各種交換性鹽基離子之間的相互 影響的作用互補離子效應（

11、陪伴離子效應） 第26頁/共37頁 七、陽離子的專性吸附七、陽離子的專性吸附 （一）陽離子專性吸附的機理 2 2：1 1型層狀硅酸鹽礦物（蒙脫石、蛭石等）單元晶層上下兩型層狀硅酸鹽礦物（蒙脫石、蛭石等）單元晶層上下兩 面都是硅氧四面體片，硅氧四面體片有六個四面體組成的六角面都是硅氧四面體片，硅氧四面體片有六個四面體組成的六角 形孔穴，這些孔穴的半徑約形孔穴，這些孔穴的半徑約0.140.14納米，納米， K K+ +、NHNH4 4+ +的半徑為的半徑為 0.1330.133納米和納米和0.1430.143納米，與孔穴大小相近，層間吸附的這些離納米，與孔穴大小相近，層間吸附的這些離 子在土壤干燥

12、脫水收縮時，很易被擠壓陷入孔穴，與氧直接結子在土壤干燥脫水收縮時，很易被擠壓陷入孔穴，與氧直接結 合，合， 不易再交換出來，降低了對植物的有效性，這種現象又稱不易再交換出來，降低了對植物的有效性，這種現象又稱 晶穴固定晶穴固定。 另一種情況，有些陽離子，如另一種情況，有些陽離子，如PbPb2+ 2+、 、CuCu2+ 2+、 、ZnZn2+ 2+、 、HgHg2+ 2+等對 等對 氧化鐵、鋁膠體表面的氧原子有很強極化力，它們能穿過擴散氧化鐵、鋁膠體表面的氧原子有很強極化力，它們能穿過擴散 層進入內層，取代氧化鐵、鋁膠粒表面層進入內層，取代氧化鐵、鋁膠粒表面OHOH基中的基中的H H+ +，與氧

13、直，與氧直 接結合，成為氧化鐵、鋁本身化學組成的一部分。這種結合態(tài)接結合，成為氧化鐵、鋁本身化學組成的一部分。這種結合態(tài) 的陽離子也不易被其他離子交換出來，成為非交換性陽離子，的陽離子也不易被其他離子交換出來，成為非交換性陽離子， 降低了有效性。降低了有效性。 第27頁/共37頁 n1 1、pHpH值值 n2 2、土壤膠體類型、土壤膠體類型 n氧化錳氧化錳有機質有機質氧化鐵氧化鐵埃洛石埃洛石伊利石伊利石蒙脫石蒙脫石高嶺高嶺 石石 第28頁/共37頁 （三）（三）陽離子專性吸附的意義陽離子專性吸附的意義: 由于專性吸附對微量金屬離子具有富集由于專性吸附對微量金屬離子具有富集 作用的特性，因此，正

14、日益成為地球化學領作用的特性，因此，正日益成為地球化學領 域或地球化學探礦等學科的重要內容。域或地球化學探礦等學科的重要內容。 土壤和沉積物中的錳、鐵、鋁、硅等氧土壤和沉積物中的錳、鐵、鋁、硅等氧 化物及其水合物，對多種微量重金屬離子起化物及其水合物，對多種微量重金屬離子起 富集作用，其中以氧化錳和氧化鐵的作用更富集作用，其中以氧化錳和氧化鐵的作用更 為明顯。為明顯。 第29頁/共37頁 專性吸附在調控金屬元素的生物有效性和專性吸附在調控金屬元素的生物有效性和 生物毒性方面起著重要的作用。有試驗表明，生物毒性方面起著重要的作用。有試驗表明， 在被鉛污染的土壤中加入氧化錳，可以抑制植在被鉛污染的

15、土壤中加入氧化錳，可以抑制植 物對鉛的吸收物對鉛的吸收。 土壤是重金屬元素的一個匯，對水體中的重土壤是重金屬元素的一個匯，對水體中的重 金屬污染起到一定的凈化作用，并對這些金屬金屬污染起到一定的凈化作用，并對這些金屬 離子從土壤溶液向植物體內遷移和累積起一定離子從土壤溶液向植物體內遷移和累積起一定 的緩沖和調節(jié)作用。另一方面，專性吸附作用的緩沖和調節(jié)作用。另一方面，專性吸附作用 也給土壤帶來了潛在的污染危險。也給土壤帶來了潛在的污染危險。 第30頁/共37頁 第四節(jié)第四節(jié) 土壤膠體對陰離子的吸附與交換土壤膠體對陰離子的吸附與交換 （一）陰離子的靜電吸附 土壤中的陰離子依其吸附能力的大小可分為三

16、類：土壤中的陰離子依其吸附能力的大小可分為三類： 1易被吸附的陰離子易被吸附的陰離子 最重要的是：最重要的是： H2PO4- HPO42- PO43- HSiO3- SiO32- 2吸附作用很弱或進行負吸附的陰離子吸附作用很弱或進行負吸附的陰離子 Cl- NO3- NO2- ClO4- 3中間類型的離子：中間類型的離子： SO42- CO32- 各種陰離子被土壤吸附的次序如下：各種陰離子被土壤吸附的次序如下： F- 草酸根草酸根 檸檬酸根檸檬酸根 H2PO4- HCO3- HBO3- SO42- Cl - NO3- 第31頁/共37頁 （二）（二）陰離子的負吸附陰離子的負吸附 所謂所謂陰離子的

17、負吸附陰離子的負吸附，是指距帶負電荷的是指距帶負電荷的 膠體表面越近，陰離子數量越少的現象。膠體表面越近，陰離子數量越少的現象。 負吸附現象也受土壤特性影響，其它條件負吸附現象也受土壤特性影響，其它條件 相同，則負吸附現象隨著土壤膠體的數量和陽離子相同，則負吸附現象隨著土壤膠體的數量和陽離子 代換量的增加而增加。但隨陪伴陽離子價數的增加代換量的增加而增加。但隨陪伴陽離子價數的增加 而減少，不同的粘粒礦物對負吸附的影響也不同，而減少，不同的粘粒礦物對負吸附的影響也不同， 它們遞減的次序為：它們遞減的次序為： 蒙脫石蒙脫石 伊利石伊利石 高嶺石高嶺石 這種情況也可歸因于膠體負電荷數量不同這種情況也可歸因于膠體負電荷數量不同 的緣故。的緣故。 帶負電荷愈多的土壤膠體，對陰離子的排斥作用帶負電荷愈多的土壤膠體，對陰離子的排斥作用 愈強，負吸附作用愈明顯。愈強，負吸附作用愈明顯。 第32頁/共37頁 三、陰離子專性吸附三、陰離子專性吸附 陰離子專性吸附陰離子專性吸附是指陰離子進入黏土礦物或是指陰離子進入黏土礦物或 氧化物表面的金屬原子的配位殼中，與配位殼氧化物表面的金屬原子的配位殼中，與配位殼 中的羥基或水合基重新配位，并直接通過共價中的羥基或水合基重新配位，并直接通過共價 鍵或配位鍵結合在固體的表面。這種吸附發(fā)生鍵或配位鍵結合在固體的表