土壤膠體化學(xué)和表面化學(xué)

土壤膠體化學(xué)和表面化學(xué)第一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二主要內(nèi)容(重點(diǎn))：教學(xué)目標(biāo)與要求：教學(xué)方式與手段：課時(shí)安排與進(jìn)度：1.土壤膠體的表面性質(zhì)（重點(diǎn)）2.土壤膠體對(duì)陽(yáng)離子交換反應(yīng)（重點(diǎn)）3.土壤膠體的陰離子的吸附與交換了解土壤膠體的表面類型、表面電荷來(lái)源與種類，掌握土壤雙電層的結(jié)構(gòu)特征；牢記土壤陽(yáng)離子交換作用的規(guī)律以及影響陽(yáng)離子有效性的因素以及陽(yáng)離子交換對(duì)土壤性質(zhì)的影響。幻燈，動(dòng)畫(huà)演示；案例分析；土壤吸附實(shí)驗(yàn)；課時(shí)數(shù)：4課時(shí)第二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四章土壤膠體化學(xué)和表面反應(yīng)第一節(jié)土壤膠體(soilcolloid)的表面性質(zhì)一、土壤膠體表面類型（一）硅氧烷型表面（二）水合氧化物型表面（三）有機(jī)物表面第三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、土壤膠體的比表面和表面積(一)土壤膠體的表面積表8－1土壤中常見(jiàn)粘土礦物的比表面積（m2·g-1）膠體成分內(nèi)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700-750400-7500-500400130-40015-1501-5090-1505-4010-4525-30130-400700-850400-80090-1505-4010-45430260-800第九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二我國(guó)幾種主要土壤的比表面積：磚紅壤60－80m2g-1

紅壤100－150m2g-1

黃棕壤200－300m2g-1

(二)比表面積的測(cè)定方法1、儀器法2、吸附法氮?dú)?、甘油、乙二醇醚等總之?：1型粘土礦物和有機(jī)質(zhì)的含量越高，土壤的比表面積越大。第十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、土壤表面電荷和電位

（一）土壤電荷的起因和種類

1、永久電荷(permanentcharge)***永久電荷起源于礦物晶格內(nèi)部離子的同晶置換。

2、可變電荷(variablecharge)***隨pH的變化而變化的土壤電荷，這種電荷稱為可變電荷。第十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二可變電荷的成因主要是膠核表面分子或原子團(tuán)的解離：

A.含水氧化硅的解離

B.粘粒礦物的晶面上的OH和H的解離

C.腐殖質(zhì)上某些官能團(tuán)的解離

D.含水氧化和水鋁石表面的分子中OH的解離；pH<3.2

從上述四種情況來(lái)看，土壤膠體所帶的電荷數(shù)量和性質(zhì)與介質(zhì)的pH值有密切關(guān)系。第十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（二）土壤的電荷數(shù)量**1、土壤電荷主要集中在膠體部分。

2、膠體組成成分是決定其電荷數(shù)量的物質(zhì)基礎(chǔ)。3、有機(jī)膠體和無(wú)機(jī)膠體的電荷具有非加和性。

第十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二***影響土壤電荷數(shù)量的因素主要有：C.pH值主要影響可變電荷的數(shù)量。B.土壤膠體的種類土壤質(zhì)地完全相同的兩種土壤，它們所帶的電荷數(shù)量可以完全不同。A.質(zhì)地土壤的質(zhì)地越粘，土粒越細(xì)，其電荷總量也越多。第十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（三）土壤膠體雙電層結(jié)構(gòu)和表面電位第十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

膠體微粒

膠核雙電層決定電位離子層（內(nèi)）補(bǔ)償離子層（外）非活性離子層擴(kuò)散層

第十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

當(dāng)靜電引力與熱擴(kuò)散相平衡時(shí)，在帶電膠體表面與溶液的界面上，形成了由一層固相表面電荷和一層溶液中相反符號(hào)離子所組成的電荷非均勻分布的空間結(jié)構(gòu)，稱為雙電層***。雙電層模型

第十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三節(jié)土壤膠體對(duì)陽(yáng)離子的吸附交換反應(yīng)

一、離子吸附的一般概念根據(jù)物理化學(xué)的反應(yīng)，膠體在溶劑中呈不均一的分布狀態(tài)，固體顆粒表面的離子濃度與溶液內(nèi)部不同的現(xiàn)象稱為吸附作用**。凡使膠體表面層中溶質(zhì)的濃度大于液體內(nèi)部濃度的作用稱為正吸附，反之則稱為負(fù)吸附.第二十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、陽(yáng)離子靜電吸附

由庫(kù)侖定律可知:土壤膠體表面所帶的負(fù)電荷愈多，吸附的陽(yáng)離子數(shù)量就愈多；土壤膠體表面的電荷密度愈大，陽(yáng)離子所帶的電荷愈多，則離子吸附得愈牢。M3+>M2+>M+

Al3＋>Mn2＋>Ca2＋>K+

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

1、陽(yáng)離子靜電吸附第二十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二表8－2離子半徑與吸附力

一價(jià)離子Li+Na+K+NH+4Rb+離子的真實(shí)半徑(nm)0.0780.0980.1330.1430.149離子的水合半徑(nm)1.0080.7900.5370.5320.509弱

強(qiáng)交換能力第二十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．鹽基離子與鹽基飽和度（1）鹽基離子與致酸離子***

第一類是氫離子和鋁離子，它們是致酸離子，與土壤的酸度有密切關(guān)系。

第二類是其他的一些金屬離子，如Ca+2、Mg+2、K+、NH4+……等，在古典化學(xué)上，它們都稱為鹽基離子。第二十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）鹽基飽和度(basesaturationpercentage)BSP在土壤膠體所吸附的陽(yáng)離子中，鹽基離子的數(shù)量占所有吸附的陽(yáng)離子的百分比，叫鹽基飽和度***。鹽基飽和的土壤具有中性或堿性反應(yīng)；而鹽基不飽和的土壤則具有酸性反應(yīng)，為酸性土壤；

100%第二十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、陽(yáng)離子交換

（一）陽(yáng)離子交換作用***

在土壤中，被膠體靜電吸附的陽(yáng)離子，一般都可以被溶液中另一種陽(yáng)離子交換而從膠體表面解吸。對(duì)這種能相互交換的陽(yáng)離子叫做交換性陽(yáng)離子，而把發(fā)生在土壤膠體表面的陽(yáng)離子交換反應(yīng)稱之為陽(yáng)離子交換作用***。

（觀看演示）第二十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二CationExchangeCapacity

----------------SO

I

LCa+2Mg+2Al+3K+Ca+2Mg+2H+Ca+2H+Ca+2Mg+2K+Al+3Ca+2H+Mg+2H+Mg+2Ca+2K+Ca+2Ca+2ExchangeableCationsAl+3H+K+H+Mg+2Ca+2Mg+2ReserveActiveActive第二十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（1）陽(yáng)離子交換作用是可逆反應(yīng)。（2）交換是等當(dāng)量進(jìn)行的。（3）陽(yáng)離子交換受質(zhì)量作用定律的支配。***陽(yáng)離子交換作用的特征：第二十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

陽(yáng)離子交換量是評(píng)價(jià)土壤肥力的一個(gè)指標(biāo)。

CEC<1010~20>20***土壤陽(yáng)離子交換量(cationexchangecapacity)-CEC

是指土壤溶液為中性（pH=7）時(shí)，每千克土所吸附和交換陽(yáng)離子的厘摩爾數(shù)稱為土壤的陽(yáng)離子交換量。（CEC：cmol(+)kg-1）保肥能力低中高第二十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二***影響土壤陽(yáng)離子交換量的因素有：（1）質(zhì)地質(zhì)地越粘重，含粘粒越多的土壤，其陽(yáng)離子交換量也越大。（2）有機(jī)質(zhì)

OM%CEC（3）膠體的性質(zhì)及構(gòu)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(yáng)離子交換量也增加。質(zhì)地砂土砂壤土壤土粘土CEC1~57~815~1825~30第二十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二表8-3不同類型土壤膠體的陽(yáng)離子交換量土壤膠體CEC[cmol(+).kg-1]腐殖質(zhì)蛭石蒙脫石伊利石高嶺石倍半氧化物200100-15070-9510-403-152-4第三十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二StructureofHumicAcidR-C00-R-C00-R-C00-R-C00-R-C00-ContributestohighCEC200cmol(+)/kg第三十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二4．影響陽(yáng)離子交換能力的因素**

（1）電荷的影響； 根據(jù)庫(kù)侖定律，陽(yáng)離子的價(jià)數(shù)越高，交換能力也越大。

（2）離子的半徑及水化程度同價(jià)的離子，其交換能力的大小是依據(jù)其離子半徑及離子的水化程度的不同而不同的。

（3）離子濃度和數(shù)量因子。

第三十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

5．交換性離子的有效度 **影響交換離子有效度的因素主要有：

（1）離子飽和度

離子的飽和度越大，被解吸的機(jī)會(huì)就越大，有效度就越大

（2）土壤中的互補(bǔ)離子效應(yīng)

（3）粘土礦物類型的影響（4）由交換性離子變?yōu)榉墙粨Q性離子的有效度問(wèn)題第三十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二表8-5互補(bǔ)離子與交換性鈣的有效性土壤交換性陽(yáng)離子組成小麥幼苗干重(g)小麥幼苗吸鈣量(mg)ABC40%Ca+60%H40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na2.802.792.3411.157.834.36

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(bǔ)離子效應(yīng)（陪伴離子效應(yīng)）第三十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、陽(yáng)離子的專性吸附（一）陽(yáng)離子專性吸附的機(jī)理

產(chǎn)生陽(yáng)離子專性吸附的土壤膠體物質(zhì)主要是鐵、鋁、錳等的氧化物及其水合物。

層狀硅酸鹽礦物在某些情況下對(duì)重金屬離子也可以產(chǎn)生專性吸附作用

第三十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二反應(yīng)的結(jié)果使體系的pH值下降！第三十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二陽(yáng)離子專性吸附的實(shí)際意義:由于專性吸附對(duì)微量金屬離子具有富集作用的特性，因此，正日益成為地球化學(xué)領(lǐng)域或地球化學(xué)探礦等學(xué)科的重要內(nèi)容。

土壤和沉積物中的錳、鐵、鋁、硅等氧化物及其水合物，對(duì)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為明顯。第三十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二專性吸附在調(diào)控金屬元素的生物有效性和生物毒性方面起著重要作用。有試驗(yàn)表明，在被鉛污染的土壤中加入氧化錳，可以抑制植物對(duì)鉛的吸收，土壤是重金屬元素的一個(gè)匯，對(duì)水體中的重金屬污染起到一定的凈化作用，并對(duì)這些金屬離子從土壤溶液向植物體內(nèi)遷移和累積起一定的緩沖和調(diào)節(jié)作用。另一方面，專性吸附作用也給土壤帶來(lái)了潛在的污染危險(xiǎn)。第三十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三節(jié)土壤膠體對(duì)陰離子的吸附與交換（一）土壤吸附的陰離子

土壤中的陰離子依其吸附能力的大小可分為三類： 1．易被吸附的陰離子最重要是：

H2PO4-HPO42-PO43- HsiO3-SiO32-C2O42- 2．吸附作用很弱或進(jìn)行負(fù)吸附的陰離子

Cl-NO3-NO2- 3．中間類型的離子：

SO42-CO32-各種陰離子被土壤吸收的次序如下：F-

>草酸根>檸檬酸根>H2PO4->HC