土壤胶体化学和表面化学.pptx

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1、会计学1土壤胶体化学和表面化学土壤胶体化学和表面化学一、硅氧烷型表面一、硅氧烷型表面一、硅氧烷型表面一、硅氧烷型表面第1页/共37页二、水合氧化物型表面三、有机物表面第2页/共37页第3页/共37页第二节土壤胶体表面性质第二节土壤胶体表面性质（一）土壤胶体的表面积（一）土壤胶体的表面积表82 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

2、-45430260-800一、土壤胶体的比表面土壤胶体的比表面第4页/共37页我国几种主要土壤的比表面积：我国几种主要土壤的比表面积：(二)比表面积的测定方法1、仪器法2、吸附法氮气、甘油、乙二醇醚等总之：总之：2：1型黏土矿物和有机质的含量越型黏土矿物和有机质的含量越高，土壤的比表面积越大。高，土壤的比表面积越大。第5页/共37页二、土壤胶体表面电荷二、土壤胶体表面电荷（一）土壤胶体电荷的种类（一）土壤胶体电荷的种类1、永久电荷、永久电荷(permanent charge)永久电荷永久电荷起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。起源于矿物晶格内部离子的同晶置换。2、可变电荷、可变电荷(variab

3、le charge)随随pH的变化而变化的土壤电荷，这种电荷的变化而变化的土壤电荷，这种电荷 称为称为可变电荷可变电荷。第6页/共37页可可变变电电荷荷的的成成因因主主要要是是胶胶核核表表面面分分子子或或原原子子团团 的解离：的解离：A.含水氧化硅的解离含水氧化硅的解离B.粘粘粒粒矿矿物物的的晶晶面面上上的的OH-和和H+的的解解离离C.腐殖质上某些官能团的解离腐殖质上某些官能团的解离D.含含水水氧氧化化和和水水铝铝石石表表面面的的分分子子中中OH-的解离；的解离；pHM2+M+Al3Mn2Ca2K+Rb+NH4+K+Na+Li+1 1、阳离子静电吸附、阳离子静电吸附第16页/共37页表表8

4、84 4 离子半径与吸附力离子半径与吸附力 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弱弱强强离子在胶体上的吸附力第17页/共37页三、阳离子交换作用在在土土壤壤中中，被被胶胶体体静静电电吸吸附附的的阳阳离离子子，一一般般都都可可以以被被溶溶液液中中另另一一种种阳阳离离子子交交换换而而从从胶胶体体表表面面解解吸吸。对对这这种种能能相相互互交交换换的的阳阳离离子子叫叫做做交交换换性性阳阳离离子子，而而把把发发生生在在土土壤壤胶胶体体表表面面的的阳阳离离子子交

5、交换换反反应应称之为称之为阳离子交换作用阳离子交换作用。第18页/共37页（1）阳离子交换作用是可逆反应。（2）阳离子交换遵循等价交换的原则。（3）阳离子交换符合质量作用定律。阳离子交换作用的特征:第19页/共37页阳阳离离子子交交换换量量是是评评价价土土壤壤肥肥力力的的一一个个指指标标。它它直直接接反反应应土土壤壤可可以以提提供供速速效效养养分分的的数数量量，也也能表示土壤保肥能力、缓冲能力的大小。能表示土壤保肥能力、缓冲能力的大小。CEC 20 保肥能力低中高四、土壤阳离子交换量四、土壤阳离子交换量(cation exchange(cation exchange capacity)-CEC

6、capacity)-CEC 是是指指土土壤壤溶溶液液为为中中性性（pH pH=7 7）时时，每每千千克克土土壤壤吸吸附附的的一一价价离离子子的的厘厘摩摩尔尔数数称称为为土土壤壤的的阳离子交换量阳离子交换量。（CECCEC：cmol(+)kg-1 cmol(+)kg-1）第20页/共37页表表8-35 8-35 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 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21页/共37页*影响土壤阳离子交换量的因素有：影响土壤阳离子交换量的因素有：（1）质

7、地质地越粘重，含粘粒越多的土壤，其阳离子交换量也越大。（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。质地砂土砂壤土壤土粘土CEC157815182530第22页/共37页五盐基饱和度五盐基饱和度（1 1）盐基离子与致酸离子）盐基离子与致酸离子 在在土土壤壤里里，被被胶胶体体吸吸附附着着的的阳阳离离子子，可可以分为两类：以分为两类：第第一一类类是是氢氢离离子子和和铝铝离离子子，它它们们是是致致酸酸离离子子，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

8、属离离子子，如如CaCa2+2+、MgMg2+2+、K K+、NHNH4 4+等等，在在普普通通化化学学上上，它它们都称为们都称为盐基离子盐基离子。第23页/共37页（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中中，交交换换性性盐盐基基离离子子的数量占阳离子交换量的百分数，叫的数量占阳离子交换量的百分数，叫盐基饱和度盐基饱和度。盐基饱和的土壤具有盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应中性或碱性反应；而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为而盐基不

9、饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤酸性土壤；100%第24页/共37页 六交换性阳离子的有效度六交换性阳离子的有效度 影响交换离子有效度的因素主要有：影响交换离子有效度的因素主要有：（一）离子饱和度（一）离子饱和度 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会就就越越大大，有有效效度度 就越大就越大 （二）互补离子效应（二）互补离子效应 （三）黏土矿物类型（三）黏土矿物类型 （四）阳离子的固定（四）阳离子的固定第25页/共37页表8-5 互补离子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%Mg

10、40%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26页/共37页七、阳离子的专性吸附七、阳离子的专性吸附（一）阳离子专性吸附的机理 2 2：1 1型型层层状状硅硅酸酸盐盐矿矿物物（蒙蒙脱脱石石、蛭蛭石石等等）单单元元晶晶层层上上下下两两面面都都是是硅硅氧氧四四面面体体片片，硅硅氧氧四四面面体体片片有有六六个个四四面面体体组组成成的的六六角角形形孔孔穴穴，这这些些孔孔穴穴的的半半径径约约0.140.14纳纳米米，K K+、NHNH4 4+的的半半径径为为0.1330.133纳纳米米和和0

11、.1430.143纳纳米米，与与孔孔穴穴大大小小相相近近，层层间间吸吸附附的的这这些些离离子子在在土土壤壤干干燥燥脱脱水水收收缩缩时时，很很易易被被挤挤压压陷陷入入孔孔穴穴，与与氧氧直直接接结结合合，不不易易再再交交换换出出来来，降降低低了了对对植植物物的的有有效效性性，这这种种现现象象又又称称晶穴固定晶穴固定。另另一一种种情情况况，有有些些阳阳离离子子，如如PbPb2+2+、CuCu2+2+、ZnZn2+2+、HgHg2+2+等等对对氧氧化化铁铁、铝铝胶胶体体表表面面的的氧氧原原子子有有很很强强极极化化力力，它它们们能能穿穿过过扩扩散散层层进进入入内内层层，取取代代氧氧化化铁铁、铝铝胶胶粒粒

12、表表面面OHOH基基中中的的H H+，与与氧氧直直接接结结合合，成成为为氧氧化化铁铁、铝铝本本身身化化学学组组成成的的一一部部分分。这这种种结结合合态态的的阳阳离离子子也也不不易易被被其其他他离离子子交交换换出出来来，成成为为非非交交换换性性阳阳离离子子，降低了有效性。降低了有效性。第27页/共37页n n 上上述述阳阳离离子子被被层层状状硅硅酸酸盐盐矿矿物物的的晶晶穴穴固固定定作作用用，阳阳离离子子与与氧氧化化铁铁、铝铝胶胶体体表表面面氧氧的的结结合合作作用用，统称为统称为阳离子的专性吸附阳离子的专性吸附。n n 而而土土壤壤胶胶体体专专性性吸吸附附的的金金属属离离子子均均为为非非交交换换态

13、态，不不能能参参与与一一般般的的阳阳离离子子交交换换反反应应,只只能能被被亲亲和和力力更更强强的的金金属属离离子子置置换换或或部部分分置置换换，或在酸性条件下解吸。或在酸性条件下解吸。n n（二二）影影响响阳阳离离子子专专性性吸吸附附的的主主要因素要因素n n1 1、pHpH值值 n n2 2、土壤胶体类型、土壤胶体类型n n氧化锰氧化锰氧化锰氧化锰有机质有机质有机质有机质氧化铁氧化铁氧化铁氧化铁埃洛石埃洛石埃洛石埃洛石伊利石伊利石伊利石伊利石蒙脱石蒙脱石蒙脱石蒙脱石高岭高岭高岭高岭石石石石第28页/共37页（三）（三）阳离子专性吸附的意义阳离子专性吸附的意义:由于专性吸附对微量金属离子具有富

14、集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。域或地球化学探矿等学科的重要内容。土壤和沉积物中的锰、铁、铝、硅等氧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富集作用，其中以氧化锰和氧化铁的作用更为明显。为明显。第29页/共37页专性吸附在调控金属元素的生物有效性和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的作用。有试验表明，生物毒性方面起着重要的作用。有试验表明，在被铅污染的土

15、壤中加入氧化锰，可以抑制植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物对铅的吸收。土壤是重金属元素的一个汇，对水体中的重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。也给土壤带来了潜在的污染危险。第30页/共37页第四节第四节 土壤胶体对阴离子的吸附与交换土壤胶体对阴离子的吸附与交换（一）阴离子的静电吸附土土壤壤中中的的阴阴离

16、离子子依依其其吸吸附附能能力力的的大大小小可可分分为为三三类类：1易被吸附的阴离子易被吸附的阴离子 最重要的是：最重要的是：H2PO4-HPO42-PO43-HSiO3-SiO32-2吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子吸附作用很弱或进行负吸附的阴离子Cl-NO3-NO2-ClO4-3中间类型的离子：中间类型的离子：SO42-CO32-各种阴离子被土壤吸附的次序如下：各种阴离子被土壤吸附的次序如下：F-草酸根草酸根 柠檬酸根柠檬酸根 H2PO4-HCO3-HBO3-SO42-Cl-NO3-第31页/共37页（二）（二）阴离子的负吸附阴离子的负吸附所所谓谓阴阴离离子子的的负负吸吸附附，是是指指距距带

17、带负负电电荷荷的的胶体表面越近，阴离子数量越少的现象。胶体表面越近，阴离子数量越少的现象。负负吸吸附附现现象象也也受受土土壤壤特特性性影影响响，其其它它条条件件相相同同，则则负负吸吸附附现现象象随随着着土土壤壤胶胶体体的的数数量量和和阳阳离离子子代代换换量量的的增增加加而而增增加加。但但随随陪陪伴伴阳阳离离子子价价数数的的增增加加而而减减少少，不不同同的的粘粘粒粒矿矿物物对对负负吸吸附附的的影影响响也也不不同同，它们递减的次序为：它们递减的次序为：蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 高岭石高岭石这这种种情情况况也也可可归归因因于于胶胶体体负负电电荷荷数数量量不不同同的缘故。的缘故。带负电荷愈多的土壤胶

18、体，对阴离子的排斥作用带负电荷愈多的土壤胶体，对阴离子的排斥作用愈强，负吸附作用愈明显。愈强，负吸附作用愈明显。第32页/共37页三、阴离子专性吸附三、阴离子专性吸附 阴阴离离子子专专性性吸吸附附是是指指阴阴离离子子进进入入黏黏土土矿矿物物或或氧氧化化物物表表面面的的金金属属原原子子的的配配位位壳壳中中，与与配配位位壳壳中中的的羟羟基基或或水水合合基基重重新新配配位位，并并直直接接通通过过共共价价键键或或配配位位键键结结合合在在固固体体的的表表面面。这这种种吸吸附附发发生生在胶体双电层的内层，也称为配位体交换吸附。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产生专性吸附的阴离子有F F-离子以及磷酸根、离子以及磷酸根、硫酸根、钼酸根、砷酸根等含氧酸根离子。硫酸根、钼酸根、砷酸根等含氧酸根离子。第33页/共37页如：磷酸根在氧化铁表面的专性吸附如：磷酸根在氧化铁表面的专性吸附阴离子的专性吸附主要发生在铁、铝氧化物的表面，而这些氧化物多分布于可变电荷的土壤中，因此，具有可变电荷的土壤中阴离子的专性吸附现象相当普遍。第34页/共37页第35页/共37页第36页/共37页