土壤学——国家级精品课程8教学资料.ppt

第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第一页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应主要内容（重点）：教学目标与要求：教学方式与手段：主要内容（重点）：1.土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)的表面性的表面性质（重点）质（重点）2.土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)对阳离子对阳离子交换反应（重点）交换反应（重点）3.土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)的阴离子的阴离子的吸附与交换的吸附与交换 了解土壤胶体的表面类型、表面电荷来源与种类，掌握土壤双电层的结构特征；牢记土壤阳离子交换作用的规律以及(yj)影响阳离子有效性的因素以及(yj)阳离子交换对土壤性质的影响。幻灯，动画演示；案例分析；土壤吸附实验；课时数：4课时第二页，共43页。硅氧烷型表面(biomin)水合氧化物型表面(biomin)有机物表面(biomin)1土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)表面类型表面类型第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第一节第一节 土壤胶体土壤胶体(soil colloid)(soil colloid)的表面性质的表面性质第三页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第一节第一节 土壤胶体土壤胶体(soil colloid)的表面的表面(biomin)性质性质第四页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第一节第一节 土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)(soil(t rn jio t)(soil colloid)colloid)的表面性质的表面性质第五页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第一节第一节 土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)(soil colloid)(t rn jio t)(soil colloid)的表面的表面性质性质第六页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第一节第一节 土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)(soil colloid)(t rn jio t)(soil colloid)的的表面性质表面性质第七页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第一节第一节 土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)(soil colloid)(t rn jio t)(soil colloid)的表的表面性质面性质第八页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第一节第一节 土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)(soil colloid)(t rn jio t)(soil colloid)的表面性质的表面性质土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)的比表面和表面积的比表面和表面积 22(一一)土土壤壤胶胶体体的的表表面面积积表81 土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2g-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700-750400-7500-500400130-40015-1501-5090-1505-4010-4525-30130-400700-850400-80090-1505-4010-45430260-800第九页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第一节第一节 土壤胶体土壤胶体(soil colloid)(soil colloid)的表面的表面(biomin)(biomin)性性质质我国几种(j zhn)主要土壤的比表面积：砖红壤 6080m2g-1 红 壤 100150m2g-1 黄棕壤 200300m2g-1 总之：总之：2 2：1 1型粘土矿物和有机质的含量越高，土壤的型粘土矿物和有机质的含量越高，土壤的比表面积越大。比表面积越大。(二二)比表面积的测定方法比表面积的测定方法1、仪器法2、吸附法 氮气、甘油、乙二醇醚等第十页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第一节第一节 土壤胶体土壤胶体(soil colloid)的表面的表面(biomin)性质性质土壤表面电荷和电位土壤表面电荷和电位 3（一）土壤（一）土壤(trng)(trng)电荷的起因和电荷的起因和种类种类 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。第十一页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第一节第一节 土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)(soil colloid)(t rn jio t)(soil colloid)的表面性质的表面性质 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(kungw)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.含水氧化和水铝石表面的分子中OH的解离；pHM2+M+Al3Mn2Ca2K+Rb+NH4+K+Na+Li+第二十三页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附交换土壤胶体对阳离子的吸附交换(jiohun)(jiohun)反反应应 表82 离子半径(l z bn jn)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强强弱弱交换能力第二十四页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附土壤胶体对阳离子的吸附(xf)(xf)交换反交换反应应 2 2盐基离子盐基离子(lz)(lz)与盐基饱和度与盐基饱和度（1 1）盐基离子）盐基离子(lz)(lz)与致酸离子与致酸离子(lz)*(lz)*第第一一类类是是氢氢离离子子(lz)(lz)和和铝铝离离子子(lz)(lz)，它它们们是是致致酸酸离离子子(lz)(lz)，与土壤的酸度有密切关系。，与土壤的酸度有密切关系。第第二二类类是是其其他他的的一一些些金金属属离离子子(lz)(lz)，如如Ca+2Ca+2、Mg+2Mg+2、K+K+、NH4+NH4+等，在古典化学上，它们都称为盐基离子等，在古典化学上，它们都称为盐基离子(lz)(lz)。第二十五页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附土壤胶体对阳离子的吸附(xf)(xf)交换反交换反应应 （2 2）盐基饱和度）盐基饱和度(base saturation percentage)BSP(base saturation percentage)BSP 在在土土壤壤胶胶体体所所吸吸附附的的阳阳离离子子(lz)(lz)中中，盐盐基基离离子子(lz)(lz)的的数数量量占占所所有吸附的阳离子有吸附的阳离子(lz)(lz)的百分比，叫盐基饱和度的百分比，叫盐基饱和度*。盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应；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；而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤；100%第二十六页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附交换土壤胶体对阳离子的吸附交换(jiohun)(jiohun)反反应应 阳离子交换(jiohun)3（观看演示）（观看演示）（一）阳离子交换作用（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交换性阳离子性阳离子，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阳离子交换作用*。第二十七页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)(t rn jio t)对阳离子的吸附对阳离子的吸附交换反应交换反应 *阳离子交换作用阳离子交换作用(zuyng)(zuyng)的特征：的特征：（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。第二十八页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附土壤胶体对阳离子的吸附(xf)(xf)交换反交换反应应 *土壤阳离子交换量土壤阳离子交换量(cation exchange capacity)-CEC 是指土壤溶液为中性（pH pH=7 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阳离离子交换量子交换量。（CECCEC：cmol(+)kgcmol(+)kg-1-1 ）阳离子交换量是评价(pngji)土壤肥力的一个指标。CEC 20 保肥能力低中高第二十九页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)(t rn jio t)对阳离子的对阳离子的吸附交换反应吸附交换反应 *影响土壤阳离子交换量的因素(yn s)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。质地砂土砂壤土壤土粘土CEC157815182530（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。第三十页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附交换土壤胶体对阳离子的吸附交换(jiohun)(jiohun)反应反应 表8-3 不同(b tn)类型土壤胶体的阳离子交换量 土壤胶体 CECcmol(+).kg-1 腐殖质蛭 石蒙脱石伊利石高岭石倍半氧化物 200100-15070-9510-403-152-4第三十一页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附土壤胶体对阳离子的吸附(xf)(xf)交换反应交换反应 4 4影响阳离子交换能力的因素影响阳离子交换能力的因素*（1 1）电荷的影响；）电荷的影响；根根据据库库仑仑定定律律，阳阳离离子子的的价价数数越高，交换能力也越越高，交换能力也越 大。大。（2 2）离离子子的的半半径径(bnjng)(bnjng)及及水水化化程程度度 同同价价的的离离子子，其其交交换换能能力力的的大大小是依据其离子半径小是依据其离子半径(bnjng)(bnjng)及及离离子子的的水水化化程程度度的的不不同同而而不不同的。同的。（3 3）离子浓度和数量因子。）离子浓度和数量因子。第三十二页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应 5 5交换性离子的有效度交换性离子的有效度 *影影响响交交换换离离子子有有效效度度的的因因素素主主要要有：有：（1 1）盐基饱和度）盐基饱和度 离离子子的的饱饱和和度度越越大大，被被解解吸吸的的机机会就越大，有效度就会就越大，有效度就 越大越大 （2 2）土壤中的互补）土壤中的互补(h b)(h b)离子效应离子效应 （3 3）粘土矿物类型的影响）粘土矿物类型的影响 （4 4）由由交交换换性性离离子子变变为为非非交交换换性性离离子子的有效度问题的有效度问题第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附交换土壤胶体对阳离子的吸附交换(jiohun)(jiohun)反反应应 第三十三页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)(t rn jio t)对阳离子对阳离子的吸附交换反应的吸附交换反应 表8-5 互补离子(lz)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)ABC 40%Ca+60%H40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na 2.802.792.34 11.157.834.36 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）第三十四页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附土壤胶体对阳离子的吸附(xf)(xf)交换反应交换反应 阳离子的专性吸附阳离子的专性吸附(xf)(xf)3（一）阳离子专性吸附的机理（一）阳离子专性吸附的机理 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。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 第三十五页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)(t rn jio t)对阳离子的吸对阳离子的吸附交换反应附交换反应 反应的结果使体系的反应的结果使体系的pHpH值下降值下降 ！第三十六页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附交换土壤胶体对阳离子的吸附交换(jiohun)(jiohun)反应反应 阳离子专性吸附阳离子专性吸附(xf)(xf)的实际意义的实际意义: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。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。第三十七页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应 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(zhngyo)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，第二节第二节 土壤胶体对阳离子的吸附交换土壤胶体对阳离子的吸附交换(jiohun)(jiohun)反反应应 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。第三十八页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第三节第三节 土壤胶体对阴离子的吸附土壤胶体对阴离子的吸附(xf)(xf)与交与交换换 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-C2O42-2吸附作用很弱或进行(jnxng)负吸附的阴离子Cl-NO3-NO2-3中间类型的离子：SO42-CO32-各种阴离子被土壤吸收的次序如下：F-草酸根 柠檬酸根 H2PO4-HCO3-HBO3-SO42-Cl-NO3-1第三十九页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第三节第三节 土壤胶体土壤胶体(t rn jio t)(t rn jio t)对阴离子的对阴离子的吸附与交换吸附与交换 阴离子的负吸附所谓阴离子的负吸附，是指距带负电荷的胶体表面越近，阴离子数量越少的现象。负吸附现象随着土壤胶体的数量和阳离子代换量的增加而增加。但随陪伴阳离子价数的增加而减少。不同的粘粒矿物对负吸附的影响(yngxing)也不同，他们递减的次序为：蒙脱石 伊利石 高岭石 2第四十页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第三节第三节 土壤胶体对阴离子的吸附土壤胶体对阴离子的吸附(xf)(xf)与交与交换换阴离子专性吸附阴离子专性吸附(xf)(xf)3阴离子专性吸附是指阴离子进入粘土矿物或氧化物表面的金属原子的配位壳中，与配位壳中的羟基或水合基重新配位，并直接通过共价键或配位键结合在固体的表面。这种吸附发生在胶体双电层的内层，也称为配位体交换吸附。产生专性吸附的阴离子有F-离子以及磷酸根、硫酸根、钼酸根、砷酸根等含氧酸根离子。第四十一页，共43页。第八章 土壤胶体(t rn jio t)化学和表面反应第三节第三节 土壤胶体对阴离子的吸附土壤胶体对阴离子的吸附(xf)(xf)与交与交换换如：磷酸根在氧化铁表面(biomin)的专性吸附第四十二页，共43页。第四十三页，共43页。