土壤学——国家级精品课程8

第八章土壤胶体化学和表面反应第八章土壤胶体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.土壤胶体的表面性质（重点）2.土壤胶体对阳离子交换反应（重点）3.土壤胶体的阴离子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影响阳离子有效性的因素以及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硅氧烷型表面水合氧化物型表面有机物表面1土壤胶体表面类型第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质土壤胶体的比表面和表面积22(一)土壤胶体的表面积表8－1土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2·g-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第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质我国几种主要土壤的比表面积：砖红壤60－80m2g-1红壤100－150m2g-1黄棕壤200－300m2g-1总之：2：1型粘土矿物和有机质的含量越高，土壤的比表面积越大。(二)比表面积的测定方法1、仪器法2、吸附法氮气、甘油、乙二醇醚等第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质土壤表面电荷和电位3（一）土壤电荷的起因和种类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。第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)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从上述四种情况来看，土壤胶体所带的电荷数量和性质与介质的pH值有密切关系。第八章土壤胶体化学和表面反应（二）土壤的电荷数量**第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质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。第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质***影响土壤电荷数量的因素主要有：A.质地、土壤的质地越粘，土粒越细，其电荷总量也越多。B.土壤胶体的种类，土壤质地完全相同的两种土壤,它们所带的电荷数量可以完全不同。C.pH值主要影响可变电荷的数量。第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质（三）土壤胶体双电层结构和表面电位第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质胶体微粒胶核双电层决定电位离子层（内）补偿离子层（外）非活性离子层扩散层第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质当静电引力与热扩散相平衡时，在带电胶体表面与溶液的界面上，形成了由一层固相表面电荷和一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布的空间结构，称为双电层***(图8-2)。图8－2双电层模型第八章土壤胶体化学和表面反应第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质Boltzmann方程Cx=Coexp()Gouy（1910）和Chapman（1913）提出的双电层模型x=oexp(-Kx)式中o为表面电位，k是与离子浓度、价数、介电常数和温度有关的常数。在室温下：k＝3×107ZCo1/K称为扩散双电层的厚度。第八章土壤胶体化学和表面反应离子价数越高，离子浓度越大，K值越大，双电层的厚度越小，因此，增加离子的价数和浓度，可使双层压缩。第一节土壤胶体(soilcolloid)的表面性质第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应离子吸附的一般概念1根据物理化学的反应，胶体在溶剂中呈不均一的分布状态，固体颗粒表面的离子浓度与溶液内部不同的现象称为吸附作用**。凡使胶体表面层中溶质的浓度大于液体内部浓度的作用称为正吸附，反之则称为负吸附.第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应阳离子静电吸附21、阳离子静电吸附由库仑定律可知:土壤胶体表面所带的负电荷愈多，吸附的阳离子数量就愈多；土壤胶体表面的电荷密度愈大，阳离子所带的电荷愈多，则离子吸附得愈牢。M3+M2+M+Al3＋Mn2＋Ca2＋K+Rb+NH4+K+Na+Li+第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应表8－2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强弱交换能力第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应2．盐基离子与盐基饱和度（1）盐基离子与致酸离子***第一类是氢离子和铝离子，它们是致酸离子，与土壤的酸度有密切关系。第二类是其他的一些金属离子，如Ca+2、Mg+2、K+、NH4+……等，在古典化学上，它们都称为盐基离子。第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应（2）盐基饱和度(basesaturationpercentage)BSP在土壤胶体所吸附的阳离子中，盐基离子的数量占所有吸附的阳离子的百分比，叫盐基饱和度***。盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应；而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤；克土）量阳离子交换量（毫克当克土）当量交换性盐基总量（毫克盐基饱和度100/100/100%第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应阳离子交换3（观看演示）（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***。第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应***阳离子交换作用的特征：（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。第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应***土壤阳离子交换量(cationexchangecapacity)-CEC是指土壤溶液为中性（pH=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离子交换量。（CEC：cmol(+)kg-1）阳离子交换量是评价土壤肥力的一个指标。CEC1010~2020保肥能力低中高第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应***影响土壤阳离子交换量的因素有：（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CEC1~57~815~1825~30（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。第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应表8-3不同类型土壤胶体的阳离子交换量土壤胶体CEC[cmol(+).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第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应4．影响阳离子交换能力的因素**（1）电荷的影响；根据库仑定律，阳离子的价数越高，交换能力也越大。（2）离子的半径及水化程度同价的离子，其交换能力的大小是依据其离子半径及离子的水化程度的不同而不同的。（3）离子浓度和数量因子。第八章土壤胶体化学和表面反应5．交换性离子的有效度**影响交换离子有效度的因素主要有：（1）盐基饱和度离子的饱和度越大，被解吸的机会就越大，有效度就越大（2）土壤中的互补离子效应（3）粘土矿物类型的影响（4）由交换性离子变为非交换性离子的有效度问题第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应表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)ABC40%Ca+60%H40%Ca+60%Mg40%Ca+60%Na2.802.792.3411.157.834.36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）第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应阳离子的专性吸附3（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八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应反应的结果使体系的pH值下降！第八章土壤胶体化学和表面反应第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应阳离子专性吸附的实际意义: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。第八章土壤胶体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，第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反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。第八章土壤胶体化学和表面反应第三节土壤胶体对阴离子的吸附与交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第八章土壤胶体化学和表面反应第三节土壤胶体对阴离子的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也不同，他们递减的次序为：蒙脱石＞伊利石＞高岭石2第八章土壤胶体化学和表面反应第三节土壤胶体对阴离子的吸附与交换阴离子专性吸附3阴离子专性吸附是指阴离子进入