第六章土壤胶体化学和表面反应精选文档.ppt
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1、第六章土壤胶体化学和表面反应本讲稿第一页,共五十九页第一节土壤胶体第一节土壤胶体指那些大小在指那些大小在1 100nm(在长、宽、高三个方向上,至少(在长、宽、高三个方向上,至少有一个方向在此范围内)的固体颗粒而言。有一个方向在此范围内)的固体颗粒而言。0.002mm的粘粒至少有一个轴的粘粒至少有一个轴 100nm,因而具有胶,因而具有胶体的性质。体的性质。electron micrographs of the clay minerals montmorillonite electron micrographs of the clay minerals kaolinite 本讲稿第二页,共五十
2、九页无机胶体无机胶体:如铝硅酸盐,:如铝硅酸盐,Fe、Al、Mn、Ti氧化物,硅氧化物,硅胶等;(胶等;(粘粒粘粒)有机胶体有机胶体:腐殖质、木质素、纤维素、蛋白质等。:腐殖质、木质素、纤维素、蛋白质等。有机无机复合胶体有机无机复合胶体:无机胶体和有机胶体复合而成。:无机胶体和有机胶体复合而成。本讲稿第三页,共五十九页硅氧四面体硅氧四面体本讲稿第四页,共五十九页铝氧八面体本讲稿第五页,共五十九页1:1粘土矿物单位晶层构造高岭石组一层硅层与一层铝层重叠而成一层硅层与一层铝层重叠而成本讲稿第六页,共五十九页瞧:氢键在这里(牢固)单位晶层内表面(无)外表面高岭石本讲稿第七页,共五十九页2:1型单位晶
3、层构造蒙脱石(montmorillonite)两层硅层中间夹一铝层两层硅层中间夹一铝层本讲稿第八页,共五十九页瞧:胀缩比多么大这里是内表面单位晶层本讲稿第九页,共五十九页2:1型非胀缩性矿物本讲稿第十页,共五十九页伊利石(illite)本讲稿第十一页,共五十九页粘土矿物粘土矿物-腐殖质复合体腐殖质复合体本讲稿第十二页,共五十九页一、土壤胶体表面一、土壤胶体表面(一)、土壤胶体表面类型(一)、土壤胶体表面类型 按按表面位置表面位置分:分:内内表表面面 膨膨胀胀性性粘粘土土矿矿物物的的层层间间表表面面和和腐腐殖殖质质分分子子内内的的表表面,其表面反应为缓慢渗入过程。面,其表面反应为缓慢渗入过程。外
4、外表表面面 粘粘粒粒的的外外表表面面和和腐腐殖殖质质、游游离离铁铁铝铝氧氧化化物物等等包包被的表面,表面反应迅速。被的表面,表面反应迅速。本讲稿第十三页,共五十九页按表面的化学结构特点,可分为以下三类表面按表面的化学结构特点,可分为以下三类表面1、硅氧烷型表面、硅氧烷型表面硅氧片的表面硅氧片的表面 硅氧烷硅氧烷 SiOSi。2 1型粘粒的上、下两面,型粘粒的上、下两面,1 1型粘粒型粘粒1/2面。非极性的疏水表面。面。非极性的疏水表面。主要电荷来源为同晶置换主要电荷来源为同晶置换(Al3+Si4+),少部分是边角断键),少部分是边角断键。2、羟基化表面、羟基化表面(ROH)M(金金属属离离子子
5、)OH,铝铝醇醇AlOH,铁铁醇醇FeOH,硅硅醇醇SiOH等等。水水铝铝(镁镁)片片,铁铁、铝铝氧氧化化物物及及硅硅片片边边角角断断键。键。本讲稿第十四页,共五十九页 极性亲水表面。电荷来源为表面极性亲水表面。电荷来源为表面OH基质子的缔合基质子的缔合OH2+或离解或离解OHO-+H+。可变电荷可变电荷。3、有机物表面、有机物表面 腐腐质质物物质质为为主主的的表表面面,表表面面羧羧基基、酚酚羟羟基基、氨氨基基等等活活性基团。离解性基团。离解H+或缔合或缔合H+产生表面电荷。产生表面电荷。可变电荷可变电荷。本讲稿第十五页,共五十九页(二)、土壤胶体的比表面(二)、土壤胶体的比表面 1、土壤胶体
6、的表面积、土壤胶体的表面积 比表面比表面:单位重量(体积)物体的总表面积。:单位重量(体积)物体的总表面积。物体颗粒愈细小,表面积愈大。物体颗粒愈细小,表面积愈大。土粒直径(土粒直径(mm)总表面积(总表面积(cm2)比面(比面(cm2/cm3)10 3.14 6 1 31.42 60 0.05 628.32 1200 0.001 31416 60000 本讲稿第十六页,共五十九页膨胀性膨胀性2 1型型粘土矿物总表面积大,以内表面积为主粘土矿物总表面积大,以内表面积为主 非非膨膨胀胀性性2 1型型和和1 1型型粘粘土土矿矿物物总总表表面面积积小小,一一般般以以外外表表面为主(水化埃洛石例外)。
7、面为主(水化埃洛石例外)。水铝英石水铝英石比表面较大,内、外表面各一半。比表面较大,内、外表面各一半。本讲稿第十七页,共五十九页 铁铁、铝铝氧氧化化物物的的比比表表面面与与其其晶晶化化程程度度有有关关,以以外外表表面面为主,非晶形氧化物的要高于晶形氧化物的。为主,非晶形氧化物的要高于晶形氧化物的。土壤有机质土壤有机质的比表面大,表观比表面可达的比表面大,表观比表面可达700 m2/g。2、比表面的测定方法、比表面的测定方法(1)仪器法)仪器法(2)吸附法。)吸附法。本讲稿第十八页,共五十九页二、土壤表面电荷和电位二、土壤表面电荷和电位 1、电荷种类和来源、电荷种类和来源(1)永久电荷)永久电荷
8、 来源于来源于粘土矿物晶层中核心离子的同晶替代。粘土矿物晶层中核心离子的同晶替代。不受不受介质介质pH值值的影响,也不受的影响,也不受电解质浓度电解质浓度的影响。的影响。同晶替代是同晶替代是2:1型粘土矿物电荷的主要来源。型粘土矿物电荷的主要来源。永久负电荷数量的多少依下规律:永久负电荷数量的多少依下规律:蒙脱石、蛭石水云母类高岭石蒙脱石、蛭石水云母类高岭石 本讲稿第十九页,共五十九页(2)可变电荷)可变电荷 在介质酸碱度影响下产生的,其电荷类型和电荷数量均决定在介质酸碱度影响下产生的,其电荷类型和电荷数量均决定于介质酸碱度,又称于介质酸碱度,又称pH依变电荷依变电荷。可变电荷产生的原因:主要
9、是胶体表面分子解离。可变电荷产生的原因:主要是胶体表面分子解离。1.含水氧化硅分子解离含水氧化硅分子解离2.粘土矿物晶面上羟基解离(粘土矿物晶面上羟基解离(1:1型粘土矿物在型粘土矿物在pH5时可以解时可以解离)离)3.腐殖质分子表面解离腐殖质分子表面解离4.含水氧化铁铝表面解离出含水氧化铁铝表面解离出OH-,带正电荷(在,带正电荷(在pH M2+M+;2)离子半径及水化程度离子半径及水化程度:同价离子,离子半径越大,水化程同价离子,离子半径越大,水化程度越弱,则水化半径越小,其代换能力越强,如度越弱,则水化半径越小,其代换能力越强,如K+Na+。2)离子浓度离子浓度:阳离子交换作用受质量作用
10、定律支配。交:阳离子交换作用受质量作用定律支配。交换力弱的离子如果浓度足够大,也可以交换吸着力很换力弱的离子如果浓度足够大,也可以交换吸着力很强而浓度小的离子。强而浓度小的离子。本讲稿第三十五页,共五十九页阳离子交换量阳离子交换量:是指在一定:是指在一定pH值条件下,每千克干土所值条件下,每千克干土所能吸附的全部交换性阳离子的能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数厘摩尔数。因因CEC随随pH而变化,一般控制在而变化,一般控制在pH7条件下测定。条件下测定。二、二、阳离子交换量阳离子交换量(cation exchange capacity)1、概念、概念 CEC(Cmol/kg)10 1020 20
11、 保肥力弱保肥力弱 中等强中等强 本讲稿第三十六页,共五十九页 土壤胶体土壤胶体 CECcmol(+).kg-1 腐殖质腐殖质蛭蛭 石石蒙脱石蒙脱石伊利石伊利石高岭石高岭石倍半氧化物倍半氧化物200100-15070-9510-403-152-4不同类型土壤胶体的阳离子交换量不同类型土壤胶体的阳离子交换量四川紫色丘陵区由紫色砂页岩风化而形成的石灰性紫色土和中性紫色四川紫色丘陵区由紫色砂页岩风化而形成的石灰性紫色土和中性紫色土土CEC一般均大于一般均大于20cmol/kg;酸性紫色土酸性紫色土CEC为为15cmol/kg,红壤、黄壤,红壤、黄壤CEC一般在一般在13 cmol/kg,甚至更低。甚
12、至更低。本讲稿第三十七页,共五十九页 2、影响土壤、影响土壤CEC的因素的因素(1)土壤质地)土壤质地 质地由砂质向粘质变化,阳离子交换量逐渐增大。质地由砂质向粘质变化,阳离子交换量逐渐增大。质质 地地 砂土砂土 砂壤土砂壤土 壤土壤土 粘土粘土 CEC(Cmol/kg)1-5 7-8 7-18 25-30(2)有机质含量)有机质含量 有机胶体所带负电荷量平均为有机胶体所带负电荷量平均为350Cmol/kg,较无,较无 机胶机胶体大得多,因而有机质含量高的土壤阳子交换量高,保肥力强。体大得多,因而有机质含量高的土壤阳子交换量高,保肥力强。本讲稿第三十八页,共五十九页(3)无机胶体类型)无机胶体
13、类型 一般粘土矿物一般粘土矿物CEC 2:1型型1:1型,型,1:1型型氧化物,氧化物,2:1型型中蒙脱石类中蒙脱石类水云母类。水云母类。(4)土壤酸碱性)土壤酸碱性 带可变电荷的土壤胶体,酸碱性是影响其电荷数量的重要带可变电荷的土壤胶体,酸碱性是影响其电荷数量的重要因素,进而影响土壤保肥能力。因素,进而影响土壤保肥能力。例如:砖红壤例如:砖红壤pH值由自然条件下的值由自然条件下的5左右提高到左右提高到7左右时,左右时,其负电荷量约增加其负电荷量约增加70%。本讲稿第三十九页,共五十九页三、土壤盐基饱和度(三、土壤盐基饱和度(Base Saturation Percentage)盐基离子占吸附
14、阳离子总量盐基离子占吸附阳离子总量(CEC)的百分数。的百分数。土壤盐基饱和度土壤盐基饱和度(BS)(%)=100交换性盐基总量交换性盐基总量CEC我国土壤盐基饱和度大致以北纬我国土壤盐基饱和度大致以北纬33 为界,以北盐基饱和度较为界,以北盐基饱和度较高,一般达高,一般达80%100%,以南盐基饱和度均较低,只有,以南盐基饱和度均较低,只有20%30%,有的甚至少于,有的甚至少于10%。本讲稿第四十页,共五十九页盐基饱和度高的土壤,交换性阳离子以盐基饱和度高的土壤,交换性阳离子以Ca2+为主,其次是为主,其次是Mg2+,分别占,分别占80%和和15%。盐基饱和度低的土壤,交换性阳。盐基饱和度
15、低的土壤,交换性阳离子以离子以H+和和Al3+为主,土壤为主,土壤pH值也低值也低。BS80%BS 5080%BS50%肥沃土壤肥沃土壤 中等肥力土壤中等肥力土壤 低肥力土壤低肥力土壤 本讲稿第四十一页,共五十九页四、交换性阳离子的有效度四、交换性阳离子的有效度 交换性阳离子对植物都是有效性的,但有效程度不一样。交换性阳离子对植物都是有效性的,但有效程度不一样。1、离子饱和度、离子饱和度 土壤吸咐某种交换性阳离子数量占土壤交换性阳离子土壤吸咐某种交换性阳离子数量占土壤交换性阳离子总量的百分数,称该种离子饱和度。离子饱和度愈高,其总量的百分数,称该种离子饱和度。离子饱和度愈高,其有效性愈高。有效
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