8土壤膠體化學(xué)和表面反應(yīng)課件

第八章土壤膠體化學(xué)和表面反應(yīng)1概況1

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您的內(nèi)容打在這里，或者通過復(fù)制您的文本后。+++整體概況2第八章土壤膠體化學(xué)和表面反應(yīng)

1、本章的基本原理是理解土壤化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)；2、土壤膠體的表面性質(zhì)對(duì)土壤的理化性質(zhì)有全面深刻的影響；學(xué)好本章可對(duì)各章融會(huì)貫通。3、土壤膠體化學(xué)是土壤化學(xué)的核心內(nèi)容之一。教學(xué)目標(biāo)3

土壤膠體的概念：土壤膠體(土壤膠體）：土壤中粒徑<1μm或2μm的礦物質(zhì)顆粒和腐殖質(zhì)（分散相）分散在土壤溶液（分散介質(zhì)）中的分散體系。膠體是指直徑在1—100nm之間的顆粒，但是實(shí)際上土壤中直徑＜1000nm的粘粒都具有膠體的性質(zhì)，所以通常所說的土壤膠體實(shí)際上是指直徑在1—1000nm之間的土壤顆粒，它是土壤中最細(xì)微的部分。4第八章土壤膠體化學(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（膠體電荷的來源）（一）硅氧烷型表面（2：1的粘土礦物表面）Si—O--Si5(二）水合氧化物型表面M–OH粘粒表面配位金屬離子或硅離子（三）有機(jī)物表面羥基、羧基等帶負(fù)電荷的基團(tuán)。6二、土壤膠體的比表面和表面積外表面：粘土礦物、Fe、Al、Si等氧化物、腐殖質(zhì)分子暴露在外的表面。內(nèi)表面：主要指的是層狀硅酸鹽礦物晶層之間的表面以及腐殖質(zhì)分子聚集體內(nèi)部的表面。比表面：?jiǎn)挝恢亓炕騿挝惑w積物體的總表面積，很顯然顆粒越小，比表面越大。7

砂粒與粗粉粒的比表面相對(duì)于粘粒來講很小，可以忽略不計(jì)，所以土壤的比表面實(shí)際上主要取決于粘粒。另外土粒的表面凸凹不平，并非光滑的球體，它的比表面比光滑的球體要大，而且粉粒和粘粒大多呈片狀比表面更大。有些無機(jī)膠體（比如蒙脫石類粘土礦物）除了有巨大的外表面，而且表面可向晶層之間擴(kuò)展，還有巨大的內(nèi)表面。8

有機(jī)膠體除了有巨大的外表面，同樣也有巨大的內(nèi)表面。所以有機(jī)膠體同樣有巨大的比表面。比如腐殖質(zhì)分子比表面可高達(dá)1000㎡/g。由于土壤膠體有巨大的比表面，所以會(huì)產(chǎn)生巨大的表面能，物體內(nèi)部的分子周圍是與它相同的分子，所以在各個(gè)方向上受的分子引力相等而相互抵消。而表面分子則不同，它與外界的氣體或液體接觸，在內(nèi)外兩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，由此而產(chǎn)生表面能，這種表面能可以做功，吸附外界分子，膠體數(shù)量越多，比表面越大，表面能也越大，吸附能力也愈強(qiáng)。910(一)土壤膠體的表面積表8－1土壤中常見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700-750400-7500-500400130-40015-1501-5090-1505-4010-4525-30130-400700-850400-80090-1505-4010-45430260-80011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

總之,2：1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。12土壤帶有電荷，這些電荷主要集中在膠體部分。（電荷數(shù)量，電荷密度）吸附離子的多少與電荷數(shù)量有關(guān)，吸附的牢固程度與電荷密度有關(guān)。離子在土壤中的移動(dòng)和擴(kuò)散，土壤有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的形成及土壤分散、絮凝、收縮等性質(zhì)，都受到電荷的影響。13三、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。零點(diǎn)電荷：如果在某個(gè)pH值時(shí)，粘土礦物表面上即不帶正電荷，也不帶負(fù)電荷，其表面電荷等于零，此時(shí)的pH值稱為零點(diǎn)電荷（ZPC）。14zeropointcharge;ZPC定義：膠體表面凈電荷為零時(shí)溶液的pH值。電荷零點(diǎn)可因?qū)Ｐ晕降鹊挠绊懚史枪潭ㄖ怠?5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.含水氧化物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。163、正電荷游離氧化鐵產(chǎn)生正電荷。4、凈電荷正電荷和負(fù)電荷的代數(shù)和就是土壤的凈電荷。17土壤電荷數(shù)量一般用每千克干土吸附離子的厘摩爾數(shù)來表示，最常見的陽(yáng)離子交換量即為pH為7時(shí)土壤的凈負(fù)電荷。（陽(yáng)離子交換量，CEC，cationexchangecapacity)陰離子交換量（AEC，anionexchangecapacityCECp,CECv（二）土壤的電荷數(shù)量**18

土壤膠體的分布特征？1、土壤電荷主要集中在膠體部分。小于2微米的土壤膠體是土壤電荷的主題，80%以上的電荷集中在膠體部分。2、膠體組成成分是決定其電荷數(shù)量的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤膠體組成不同，其所帶電荷的數(shù)量也不同。含有較多蛭石、蒙脫石、有機(jī)質(zhì)的土壤膠體，電荷數(shù)量較多。3、土壤膠體組分間的相互作用對(duì)電荷數(shù)量有影響。游離鐵鋁氧化物等多膠體的包被作用使膠體的電荷數(shù)量減少。

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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***(圖8-2)。（三）土壤膠體表面電位圖8－2雙電層模型

20第二節(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)，溶質(zhì)在溶劑中呈不均一的分布狀態(tài)，溶劑表面層中的濃度與溶液內(nèi)部不同的現(xiàn)象稱為吸附作用**。

凡使液體表面層中溶質(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.21二、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；土壤膠體表面的負(fù)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+

陽(yáng)離子靜電吸附22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)23三、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***。

24（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：25

陽(yáng)離子交換量是評(píng)價(jià)土壤肥力的一個(gè)指標(biāo)。它直接反應(yīng)土壤可以提供速效養(yǎng)分的數(shù)量，也能表示土壤保肥能力、緩沖能力的大小。

CEC<1010~20>20 ***（二）土壤陽(yáng)離子交換量(cationexchangecapacity)-CEC

是指土壤溶液為中性（pH=7）時(shí)，每千克土所含的全部交換性陽(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26ESP—exchangeablesodiumpercentage

指交換性鈉離子占交換性陽(yáng)離子總量的百分?jǐn)?shù)。SAR—sodiumadsorptionratio

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

指溶液中交換性鈉與交換性Ca2+、Mg2+離子濃度之和的比值。27***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CEC1~57~815~1825~3028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200100-15070-9510-403-152-429(三）．鹽基離子與鹽基飽和度（1）鹽基離子與致酸離子***在土壤里，被膠體吸附著的陽(yáng)離子，可以分為兩類：

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Ca2+、Mg2+、K+、NH4+……等，在古典化學(xué)上，它們都稱為鹽基離子。30（2）鹽基飽和度(casesaturationpercentage)CSP

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%31（四）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)（H+Ca2+Mg2+K+)某離子的互補(bǔ)離子被土壤膠體吸附的力越強(qiáng)，該離子的有效度就越高。Fe3+Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+

32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)）33（3）粘土礦物類型的影響蒙脫石類礦物吸附的陽(yáng)離子一般位于晶層之間，吸附比較牢固，因而有效性較低，而高嶺石類礦物吸附的陽(yáng)離子一般位于晶格的外面，有效性較高。34全國(guó)土壤粘土礦物分布劃分為7個(gè)區(qū)1.水云母區(qū)2.水云母—蒙脫石區(qū)3.水云母—蛭石區(qū)4.水云母—蛭石—高嶺區(qū)5.蛭石—高嶺區(qū)6.高嶺—水云母區(qū)7.高嶺區(qū)35四、陽(yáng)離子的專性吸附（一）陽(yáng)離子專性吸附的機(jī)理

過渡金屬離子由于原子核的電荷數(shù)較多，離子半徑較小，因而有較強(qiáng)的極化能力，能夠與配位體形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，穩(wěn)定性增加。另外過渡金屬離子容易形成水合物，減少了離子的平均電荷，致使離子在向其靠近時(shí)所需克服的能力障礙降低，有利于與表面的相互作用。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。

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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

37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。38

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了潛在的污染危險(xiǎn)。39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-