土壤胶体和土壤离子交换森林土壤.ppt
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1、第八章第八章 土壤胶体和土壤离子交换土壤胶体和土壤离子交换 第一节第一节 土壤胶体的构造与性质土壤胶体的构造与性质 一、土壤胶体的概念一、土壤胶体的概念 土壤中的固相、液相和气相呈互相分散的胶体状态,是一个分散系。即土壤学中所指的土壤胶体是指直径小于2m或者小于1m土壤颗粒。胶体微粒胶体微粒 胶核胶核 双电层双电层 决定电位离子层(内)决定电位离子层(内)补偿离子层(外)补偿离子层(外)非活性离子层非活性离子层扩散层扩散层 二、土壤胶体的构造1 1微粒核(胶核)微粒核(胶核)微粒核是土壤胶体微粒的核心部分,微粒核是土壤胶体微粒的核心部分,它是由组成胶体微粒的基本物质的分子群它是由组成胶体微粒的
2、基本物质的分子群所组成。所组成。2 2扩散双电层扩散双电层(1)决定电位离子层 是吸附在胶粒核表面,决定胶粒电荷正负及大小的一层离子。(2)补偿离子层 分为两个层次。一、非活性补偿离子层。二、扩散层。胶胶体体微微粒粒的的扩扩散散双双电电层层构构造造图图式式3、胶团间溶液即土壤胶体分散系中的分散介质,即土壤胶体分散系中的分散介质,也即是土壤溶液。也即是土壤溶液。土粒土壤溶液土壤溶液 一、巨大的比表面积和表面能一、巨大的比表面积和表面能比比表表面面积积:单单位位质质量量或或物物体体的的总总表表面面积积称称为比表面积或比面,物体愈小比面愈大。为比表面积或比面,物体愈小比面愈大。第二节土壤胶体的性质第
3、二节土壤胶体的性质 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 l l表面能:表面能:由于表面分子的四周不都是相同由于表面分子的四周不都是相同的分子,受到的力不均衡,使表面分子对的分子,受到的力不均衡,使表面分子对外表现有剩余能量,这种能量是由于表面外表现有剩余能量,这种能量是由于表面的存在而产生,所以叫做的存在而产生,所以叫做表面能。表面能。-内表面:指膨胀性粘土矿物的晶层内表面:指膨胀性粘土矿物的晶层表面和腐植质分子聚集体内部的表面。表面和腐植质分
4、子聚集体内部的表面。-外表面:指粘土矿物、氧化物和腐外表面:指粘土矿物、氧化物和腐植质分子暴露在外的表面。植质分子暴露在外的表面。土壤有机质的比表面大,表观比表面可达土壤有机质的比表面大,表观比表面可达700 m2/g。胶体成分胶体成分内表面积内表面积外表面积外表面积总表面积总表面积蒙脱石蒙脱石70075015150700850蛭蛭 石石400750150400800水云母水云母059015090150高岭石高岭石0540540埃洛石埃洛石010451045水化埃洛石水化埃洛石4002530430水铝英石水铝英石130400130400260800土壤中常见矿物的比表面积(土壤中常见矿物的比表
5、面积(m2/g)二、带电性二、带电性 土壤胶体微粒都带有一定的电荷土壤胶体微粒都带有一定的电荷,(一)(一)电荷类型:电荷类型:永久电荷永久电荷(permanentcharge):由同晶代换作用:由同晶代换作用产生(产生(粘土矿物晶质中的一种离子被另一种离子取代的过程)可变电荷(variablecharge)随pH的变化而变化的土壤电荷。晶格破碎边缘带电负电荷土壤胶体的双电层模型土壤胶体的双电层模型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;pH3.2从上述四种情
6、况来看,土壤胶体所带的从上述四种情况来看,土壤胶体所带的电荷数量和性质与介质的电荷数量和性质与介质的pH值有密切关系。值有密切关系。(二)土壤的电荷数量(二)土壤的电荷数量 1、土壤电荷主要集中在胶体部分。2、胶体组成成分是决定其电荷数量的物质基础。3、有机胶体和无机胶体的电荷具有非加和性。三、土壤胶体的分散性和凝聚性三、土壤胶体的分散性和凝聚性 胶体微粒均匀分散在土壤溶液中成为胶体溶液状态,称为溶胶。1土壤胶体溶液(溶胶)2土壤中无定形的凝胶体(凝胶)微粒彼此相互联结凝聚在一起,呈无定型絮状凝胶体,称凝胶。3分散和凝聚作用 由溶胶联结凝聚成凝胶的作用,叫做胶体的凝聚作用。一般地,离子的价数越
7、高,离子半径越大,所产生的凝聚能力越强。常见阳离子凝聚力的排列顺序是:FeFe3 3AlAl3 3CaCa2 2MgMg2 2K KNHNH4 4NaNa 凝胶分散成溶胶的作用,叫做胶体的分散作用。胶体的凝聚作用,有些是可逆的,有些是不可逆的。第二节土壤胶体类型第二节土壤胶体类型一、土壤无机胶体(矿质胶体)一、土壤无机胶体(矿质胶体)主要为极细微的粘土矿物,包括成分简单的含水氧化物和成分复杂的各种次生层状铝硅酸盐类等。1含水氧化物 主要包括水化程度不等的铁、铝、硅的氧化物。(1)含水氧化硅 是一种非晶质的凝胶,其化学式为SiO2nH2O或写成H2SIO3。(2)含水氧化铁 主要有:褐铁矿 2F
8、e2O33H2O针铁矿Fe2O3H2O多水针铁矿3FeO34H2O一水赤铁3Fe2O3H2O等。(3)含水氧化铝 主要有水铝石Ai2O3H2O和三水铝石Al2O33H2O等,也是两性胶体,其电性决定于溶液的酸碱性。硅氧四面体(或简称四面体)硅氧四面体(或简称四面体)硅氧四面体是硅酸盐矿物的最基本的硅氧四面体是硅酸盐矿物的最基本的结构单位,不同的连接组合方式形成不同结构单位,不同的连接组合方式形成不同的硅酸盐矿物。的硅酸盐矿物。2、粘土矿物、粘土矿物(1 1)粘土矿物的基本构造特征粘土矿物的基本构造特征基本构造基本构造铝氧八面体(或简称八面体)铝氧八面体(或简称八面体)粘土矿物基本构造单位晶层结
9、构单位晶层结构 1:11:1型单位晶层型单位晶层:由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方式形成单位晶层。式形成单位晶层。1:1型层状铝硅酸盐的单位晶层有两型层状铝硅酸盐的单位晶层有两个不同的层面,一个是由具有六角形空穴的氧原子层面,一个不同的层面,一个是由具有六角形空穴的氧原子层面,一个是由氢氧构成的层面。个是由氢氧构成的层面。2:12:1型单位晶层型单位晶层由两个硅片夹一个铝片构成。两个硅片由两个硅片夹一个铝片构成。两个硅片顶端的氧都向着铝片,铝片上下两层氧分别顶端的氧都向着铝片,铝片上
10、下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层。与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层。2:12:1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。是氧原子面。同晶替代同晶替代 是指组成矿物的中心离子被电性相同、大小是指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。铝铝43(2)粘土矿物类型 土壤中最主要的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石,还有蛭石、绿泥石、水铝英石等。特点:特点:(1(1)1:11:1型的晶层结构型的晶层结构 单位晶胞的分子式可表示为单位晶胞的分子式可表示为AiAi4
11、4SiSi4 4O O1010(OH)(OH)8 8。(2 2)无膨胀性)无膨胀性 两个晶层的层面间产生了键能较强的氢两个晶层的层面间产生了键能较强的氢 键,膨胀系数一般小于键,膨胀系数一般小于5 5.高岭石层间距约为高岭石层间距约为0.72nm0.72nm。(3 3)电荷数量少阳离子交换量只有)电荷数量少阳离子交换量只有3-15Cmoles(+)Kg3-15Cmoles(+)Kg-1-1。(4 4)胶体特性较弱)胶体特性较弱 较粗(较粗(0.2-20.2-2 m m),颗粒的总表面积相),颗粒的总表面积相 对较小,为对较小,为1010201020103 3m m2 2kgkg-1-1高岭组粘
12、土矿物是南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土高岭组粘土矿物是南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土矿物,在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。矿物,在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。高岭类矿物高岭类矿物(1:11:1型矿物型矿物)包括:高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等包括:高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等高岭石矿物结构示意图高岭石矿物结构示意图1:1型型高岭石高岭石结构示结构示意图意图特征:特征:(1 1)2:12:1型的晶层结构蒙脱石是其典型代表。单位晶胞的分子型的晶层结构蒙脱石是其典型代表。单位晶胞的分子式可表示式可表示AlAl4 4SiSi8 8O O2020(
13、OH)(OH)4 4nHnH2 2O O。(2 2)胀缩性大)胀缩性大 蒙脱石晶层间距变化在之间,蛭虫的膨胀性比蒙脱石晶层间距变化在之间,蛭虫的膨胀性比蒙脱石小,其晶层间距变化在之间。蒙脱石小,其晶层间距变化在之间。(3 3)电荷数量大)电荷数量大 同晶替代现象普遍。同晶替代现象普遍。(4 4)胶体特性突出)胶体特性突出 ,较细(有效直径,较细(有效直径0.01-10.01-1 m m),总表面积),总表面积为为60060080010800103 3m m2 2kgkg-1-1,且,且8080是内表面。蛭石一般为是内表面。蛭石一般为40010400103 3m m2 2kgkg-1-1。蒙脱石
14、组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广蒙脱石组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广蒙脱石类矿物(2:1型膨胀性矿物)包括:蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。蒙脱石矿物结构示意图蒙脱石矿物结构示意图2:1型型蒙脱石蒙脱石结构示结构示意图意图特征:特征:(1 1)2:12:1型晶层结构伊利石是其主要代表,。分子型晶层结构伊利石是其主要代表,。分子 式为式为K K2 2(Al(Al FeFe Mg)Mg)4 4(SiAl)(SiAl)8 8O O2020(OH)(OH)4 4 nHnH2 2O O。(2 2)无膨胀性)无膨胀性 在伊利石晶层之间吸附有钾离子,在伊利石晶层之间吸附有钾离子,对
15、相邻两晶层产生了很强的键联效果,使晶层不易膨胀,伊利对相邻两晶层产生了很强的键联效果,使晶层不易膨胀,伊利石晶层的间距为石晶层的间距为1.0nm1.0nm。(3 3)电荷数量较大)电荷数量较大 20 2040Cmoles(+)kg40Cmoles(+)kg-1-1。(4 4)胶体特性一般)胶体特性一般 总表面积为总表面积为707012010120103 3m m2 2kgkg-1-1,其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都介于高岭石和蒙脱石之其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都介于高岭石和蒙脱石之间。间。水化云母组水化云母组(2:12:1型非膨胀性矿物)型非膨胀性矿物)伊利石广泛分布于我国多种土壤中
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