第八章土壤胶体化学与表面反应

第七章土壤胶体化学与表面反应Chapter7SoilColloidalChemistryandSoilSurfaceReaction本章教学要求1、了解土壤胶体及其在农学和环境学中的意义2、掌握土壤胶体构造、表面、电荷及电位3、掌握土壤阳离子交换作用4、理解土壤对阳离子和阴离子的专性吸附第一节土壤胶体的表面性质第二节土壤阳离子交换作用第三节土壤胶体对阳离子的专性吸附第四节土壤胶体对阴离子的专性吸附第一节土壤胶体的表面性质Section1SoilcolloidalsurfacenatureSection1Soilcolloidalsurfacenature一、土壤胶体概念（soilcolloid）土壤中直径为0.002～2μm土粒。在土壤中，土壤胶体含量一般为2～50%。electronmicrographsoftheclaymineralsmontmorillonite无机胶体Inorganiccolloid（矿质胶体）有机胶体Organiccolloid有机-无机复合胶体Organic-inorganiccompositecolloidalSection1Soilcolloidalsurfacenature土壤胶体二、土壤胶体类型（一）无机胶体Inorganiccolloid（矿质胶体）粘土矿物如高岭石、蒙脱石、伊利石等，粘粒氧化物如氧化铁、氧化铝等。（二）有机胶体Organiccolloid土壤腐殖质和各种高分子有机化合物，如蛋白质、纤维素、脂肪、多糖等。土壤微生物也具有胶体性质，属于一种生物胶体。（三）有机-无机复合胶体Organic-inorganiccompositecolloidal非活性补偿离子层Non-ioniclayerofcompensation（靠近胶体表面）扩散层DiffusionlayerSection1Soilcolloidalsurfacenature3、补偿离子层Compensationionosphere三、土壤胶体微粒的构造Colloidalparticlesofsoilstructure1、胶核Plasticnuclear（如粘土矿物、腐殖质、粘粒氧化物等）2、决定电位离子层Ionofthepotentialdecision（土壤胶体表面的一层离子，决定土壤电荷量和电性）土壤胶体微粒构造示意图胶体微粒Colloidalparticles胶粒Particles胶核Plasticnuclear双电层Double-layer决定电位离子层Ionofthepotentialdecision补偿离子层Compensationionosphere非活性离子层Theactivityofnon-ionic扩散层DiffusionlayerSection1Soilcolloidalsurfacenature四、土壤胶体的表面Thesurfacesoilcolloid（一）土壤胶体表面类型有两种分类方法：1、按表面位置，分为内表面和外表面2、按表面结构，分为硅氧烷表面Siloxanesurface、水合氧化物表面Hydrousoxidesurface有机物表面Organicmattersurface粘土矿物的表面胶体电子显微图像Section1Soilcolloidalsurfacenature1、硅氧烷型表面Silicone-typesurface层状硅酸盐中硅氧四面体底面互相连结而成的六方网状平面层（－Si―O―Si－）。2：1型粘土矿物2:1typeofclayminerals两个面都是硅氧烷表面，高岭石只有一半的面是硅氧烷型表面。复三方网孔分布在硅氧烷表面上Section1Soilcolloidalsurfacenature2、水合氧化物型表面hydrousoxidesurfaces由金属离子和氢氧基组成的表面。一般用M－OH表示，M为金属离子。1:1型层状粘土矿物的羟基铝层基面、晶形或非晶形水合氧化物与氢氧化物表面等都是水合氧化物型表面。水合氧化物型表面是一个可逆表面(Reversiblesurface)，通过表面羟基对质子的缔合或解离产生电荷Section1Soilcolloidalsurfacenature3、有机物表面organicmattersurfaces土壤中的腐残质、有机酸、碳水化合物等的表面属于有机的表面。其表面含有羧基（－COOH）、羟基（－OH）、醌基（=O）、醛基（－CHO）、甲氧基（－OCH3）、氨基（－NH2）等功能团。这些表面功能团可离解H＋离子而使表面带负电荷。＋－＋－－OHCOORCOOHROH32Section1Soilcolloidalsurfacenature（二）土壤胶体的表面积Thesurfaceareaofsoilcolloid比表面Thespecificsurfacearea，用一定实验技术测得的单位质量土壤的表面积。土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2/g)胶体成分内表面外表面总表面蒙脱石蛭石水云母高岭石埃洛石水化埃洛石水铝英石腐殖质700-750400-7500-500400130-140-15-1501-590-1504-4010-4525-30130-140-700-850400-80090-1505-4010-45430260-800800-900粘土矿物的比表面Section1Soilcolloidalsurfacenature（三）土壤胶体电荷Variablecharge1、永久电荷Permanentcharge（也叫恒电荷或结构电荷）来自土壤胶体内同晶替代，不随环境pH变化而改变的电荷。同晶置换作用是2:1型层状粘土矿物负电荷的主要来源，这些负电荷主要分布在硅氧烷型表面的复三方孔穴周围。Section1Soilcolloidalsurfacenature2、可变电荷Variablecharge环境pH变化，土壤胶体的表面电荷的数量和符号发生改变的电荷。（1）土壤固相表面从介质中吸附离子或向介质中释出离子所引起的，如水合氧化物型表面对质子的缔合和解离。（2）层状硅酸盐粘土矿物的边面及表面断键。Section1Soilcolloidalsurfacenature3、土壤阳离子交换量Cationexchangecapacity,CEC每千克土壤吸附阳离子的厘摩尔数，单位：cmol/kg。影响土壤CEC的因素是：（1）粘土矿物Clayminerals土类黑土栗钙土暗栗钙土棕钙土褐土黄棕壤红壤砖红壤负电荷量40~609035~4045~604015~2510含主要矿物以蒙脱石为主水化云母为主水化云母，蛭石水化云母，高岭石高岭石，水化云母高岭石Section1Soilcolloidalsurfacenature（2）土壤质地Soiltexture土壤CEC按下列排序：粘土＞壤土＞砂土（3）土壤pH土壤CEC随着土壤pH升高而增大05101520253035砂土壤土粘土CEC（cmol/kg)051015202530353579pHCEC(coml/kg)Section1Soilcolloidalsurfacenature(四）土壤胶体电位PotentialsoilcolloidSection1Soilcolloidalsurfacenature(四）土壤胶体电位Potentialsoilcolloid1、全电位Allpotential：决定电位离子层与土壤溶液之间的电位差。又称热力学电位。2、动电电位DynamicPotential：非活性离子层与土壤溶液之间的电位差。五、电荷零点（zeropointofcharge，ZPC；pointofzerocharge,PZC)电荷零点（零点电荷）：土壤粘土矿物表面不带正电荷，也不带负电荷，其表面电荷等于零，此时的pH值称为电荷零点。ZPC是表征胶体表面电荷性质的一个重要参数。体系pHZPC时，胶体表面带正电荷；体系pHZPC时带负电荷；体系pH=ZPC时，则表面不带电荷。氧化物SiO2TiO2MnO2Fe2O3Al2O3ZPC24.546.5~87.5~9.5土壤中重要氧化物的ZPC五、电荷零点（ZPC）土壤类型砖红壤红壤黄棕壤黑土ZPC4.03.02.352.15第二节土壤阳离子交换作用Section2CationExchangeFunction一、土壤阳离子交换的概念二、土壤阳离子交换的特点三、土壤阳离子交换力四、盐基饱和度五、交换性阳离子有效度一、土壤阳离子交换概念（一）交换性阳离子Theexchangeofonepositiveionbyanotheriscalledcationexchangefunction.Cationexchangetakesplaceonthesurfacesofclayandhumuscolloidsaswellasonthesurfaceofplantroots.第一类是氢离子和铝离子，是致酸离子。第二类是Ca2+、Mg2+、K+、NH4+等，为盐基离子。（二）阳离子交换作用Section2Cationexchangefunction土壤胶粒土壤胶粒Ca2＋＋K2SO42K＋＋CaSO4Section2CationexchangefunctionSection2Cationexchangefunction二、阳离子交换作用的特点Characteristicofcationexchange（1）Cationexchangereactionsarereversibleprocesses.（2）Exchangebetweenionsofdifferentvalencieshastotakeintoaccountthefactthationsareexchangedbythesamenumberofequivalentsofotherions.（3）Cationexchangeiscontrolledbymassactionlaw.Section2CationexchangefunctionSection2Cationexchangefunction三、土壤阳离子交换力Cationexchangecapacity(CEC):一种阳离子将其它阳离子从土壤胶粒上交换下来的能力。1、电荷：阳离子价数越高，交换能力也越大。三价二价一价2、离子的半径及水化程度:同价的离子，其交换能力与离子半径及离子的水化程度有关。3、阳离子浓度一价离子Li+Na+K+NH+4Rb+离子半径(nm)0.0780.0980.1330.1430.149离子水合半径(nm)1.0080.7900.5370.5320.509强弱交换能力离子半径及水化半径与交换能力土壤中常见阳离子的交换能力顺序：Na+＜K+＜NH4+＜Mg2+＜Ca2+＜H+＜Al3+＜Fe3+Section2Cationexchangefunction四.盐基饱和度Basesaturationpercentage(BSP)BSP–Theratioofthequantityofexchangeablebasestothecationexchangecapacity。这里盐基离子指的是除氢和铝以外的阳离子。同理，某个交换性阳离子占土壤阳离子总量的百分数叫该离子的饱和度。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%Section2Cationexchangefunction我国土壤盐基饱(BaseSaturation)和情况是：以北纬33°为界，粗略的划分为两个区域。在33°以南，除少数石灰性冲积母质上发育的土壤及盐渍土壤以外，皆为盐基不饱和的土壤。在33°以北除少数酸性山地土壤（棕色森林土壤、灰化土等）以外，均为盐基饱和土壤，被称为石灰性土壤。有的土壤交换性Na+占有较高比例，呈现碱性反应，这种土壤称为碱土或碱化土壤。Section2Cationexchangefunction五、交换性阳离子有效度Availabilityofexchangeableions