土壤化学性质第一节土壤胶体

第五章 土壤化学性质 第一节 土壤胶体及其性质 第二节 土壤酸碱性 第三节 土壤氧化还原反应 第一节 土壤胶体及性质 一、土壤胶体 colloid （一）土壤胶体：土壤中颗粒直径大小在 1-100 毫微米在长、宽、高的三个部分至少有一个方向 在此范围的固体颗粒，具有胶体性质的微粒部分。 土壤中粒径 1nm或 2nm的矿物质颗粒和腐殖 质（ 分散相 dispersed phase）分散在土壤溶 液（ 分散介质 dispersion medium）中的分 散体系。 （二）、 土壤胶体的类型和来源 1、 土壤胶体的类型 土壤胶体通常分为三大类： 无机胶体、有机胶体 、 和有机无机复合体 含水氧化物 1.1 无机胶体 层状硅酸盐矿物（ 粘土矿物） 1.2 无机胶体 inorganic colloid：其主体是粘土矿物； 粘土矿物一般是指含有 -OH基的结晶质的硅酸盐次 生矿物。 1.3 粘土矿物的来源： 由云母等矿物经过风化或成土作用演变而来； 由矿物的分解产物在一定条件下合成而成 ; 在一定条件下由粘土矿物互相之间演化形成，即 由一种演变成另一种粘土矿物。 1.4 有机胶体：是由碳、氢、氧、氮、硫、磷等 元素组成的高分子有机化合物，是非晶质的物质。 其最主要的成分是各种腐殖质（胡敏酸、富里酸、 胡敏素等），还有少量的木质素、蛋白质、纤维 素等。具有强吸水性、亲水性。 2、 土壤胶体的来源： 有机质 粘土矿物 氧化物 二、 土壤胶体的构造和性质 （一）土壤胶体的构造 1 土壤胶体分散系包括： 胶体微粒 colloid droplet（为分散相 dispersed phase ）和 微粒间溶液 （为分 散介质 dispersion medium ）两大部分。 胶体微粒在构造上可分为微粒核 droplet core、决定电位离子层 electric potential ion layer和补偿离子层 compensation ion layer三部分组成 。 （ 1）微粒核 droplet core ： 主要由腐殖质、无 定形的 SiO2(amorphous quartz)、氧化铝 aluminium oxide、氧化铁 iron oxide 、铝硅酸 盐晶体 aluminosilicate crystal物质、蛋白质分 子 protein molecule以及有机无机胶体的分子群 所构成。 （ 2） 双电层 微粒核表面的一层分子，通常解离成离子，形成 符号相反而电量相等的两层电荷，所以称之为双 电层。双电层由 决定电位离子层 和 补偿离子层 组 成。 （ 2） 双电层 (electric) double layer：是由土壤 胶体表面的负电荷和代换性阳离子的正电荷构 成。 Stern层 : 在紧贴着土壤胶体颗粒表面的那一 部分阳离子受电场静电引力作用极度强 ,与土壤 胶体表面成平行密实排列 ,牢牢地被吸引着 ,难 于移动 ,此层称为 Stern层 。 Gouy层：在 Stern层的外面，阳离子受静电引力 和热运动的影响，胶体（扩散层）周围的阳离 子数量随着离胶体表面距离的增加而减少，由 稠密变为稀疏，呈扩散式分布，此层称为 Gouy层。 （ 二） 土壤胶体的性质 1 土壤胶体比表面和表面能 比表面积（比面） specific surface area是指单位重量或单位体积的总表面 积（ cm2/g， cm3/cm3） 。 由于表面分子与外界的液体或气体介质相接触， 因而在内、外方面受到的是不同分子的吸引力， 不能相互抵消，所以具有多余的表面能。 这种能量产生于物体表面，故称为表面能。 胶体数量愈多，比面愈大，表面能也愈大，吸附 能力也就愈强。 球状土粒的比面 2 土壤胶体有凝聚和分散作用 凝聚作用 :土壤胶体溶液如受到某些因素的影响，使 胶体微粒下沉，由溶胶变成凝胶，这种作用叫做 胶体的凝聚作用； 分散作用 :由凝胶分散成溶胶，叫做胶体的分散作用。 促使胶体凝聚或分散的原因，主要决定于电动 电位的高低。而电动电位的高低又取决于扩散 层的厚度 . 凡电荷数量少而水化度大的离子 (如 Na+)，形 成的扩散层厚，电动电位高。使胶体分散； 电荷数量多，水化度小的离子 (如 Ca2+)，形成 的扩散层薄，电动电位降至一定程度时，胶体 即可凝聚。 电解质种类对胶体的凝聚作用有影响：一般是一 价离子 二价离子 Al3 +Ca2+Mg2+H+ NH4+K+Na+ 电解质浓度对胶体的凝聚也有很大影响 :浓度大 , 可促使凝胶形成。 （三）土壤胶体电荷 a 、永久电荷 permanent charge ：它是由于粘粒 矿物晶层内的同晶替代所产生的电荷。这种电荷 一旦产生后，就不能改变，而成为粘粒矿物的永 久性质。 这种电荷不受介质的 pH值的影响，主要发生在 2： 1型粘粒矿物中，在 1： 1型矿物中极少。 b 、可变电荷 variable charge： 胶核表面分子或 原子团的解离所产生的电荷，没有永久性质，它 的数量和性质随着介质的 pH值而改变。所以称为 可变电荷。电荷的数量和性质随介质 pH而改变的 电荷。 c 、土壤的 pH0值是表征其可变电荷特点的 一个重要指标，它被定义为土壤的可变正、 负电荷数量相等时的 pH值，或称为可变电 荷零点、等电点 pH ( isoelectric pH 。 Silicon Tetrahedron Aluminum Octahedron Mg Al Examples of Isomorphic Substitution Produces a Net Negative Charge Al3+ for Si4+ Mg2+ for Al3+ 产生可变电荷可的主要原因有： 粘粒矿物 晶面 上 -OH 基的解离 含水铁、铝氧化物的解离 腐殖质上某些原子团的解离 含水氧化硅的解离 粘粒矿物 晶层 上的断键等。 二 土壤胶体的交换吸附作用 土壤吸收性能是指土壤能吸收和保留土壤 溶液中的分子和离子，悬液中的悬浮颗粒、 气体以及微生物的能力。土壤吸收性能亦 称土壤吸收保肥性能。 （一） 土壤吸收性能类型 （ 1）机械吸收性 mechanical absorbability ： 是指土壤对固体物体的机械阻留，如施用有机 肥时，其中大小不等的颗粒，均可被保留在土 壤中。 这种吸收作用取决于土壤的孔隙状况。 （ 2）物理吸收性：这种吸收性能是指土壤对分子 态物质的保持能力，它表现在某些养分聚集在胶 体表面，其浓度比在溶液中为大，另一些物质则 胶体表面吸附较少而溶液中浓度较大，前者称为 正吸附 positive adsorption后者称为 负吸附 negative adsorption。 负吸附：是指土粒表面的离子或分子浓度低于整体 溶液中该离子或分子的浓度的现象。 产生这种作用的原因是由于固体颗粒界面上的表面 自由能的作用。 气态物质（水气、 CO2、 NH3等）和细菌的吸附也 是物理吸附。 （ 3）化学吸附性：是指易溶性盐在土壤中转变为 难溶性盐而沉淀保存在土壤中的过程。 这种吸收是纯化学作用过程。 （ 4）物理化学吸收性：是指土壤对可溶性物质中 离子态养分的保持能力。这种吸收是以物理吸收 为基础，又呈现出化学反应相似的特性。 （ 5）生物吸收性：是指土壤中植物根系和微生物 对营养物质的吸收，这种吸收作用的特点是选择 性和创造性，并且具有累积和集中养分的作用。 上述五种吸收性不是孤立的，而是相互联系、相互 影响的，都具有重要的意义。 （ 6）专性吸附 :是非静电因素引起的土壤对 离子的吸附 ,它是指离子通过表面交换与晶 体上的阳离子共享 1个或 2个氧原子 ,形成共 价键而被土壤吸附的现象 . 二、 土壤物理化学吸收性能 土壤物理化学吸收性能 即是土壤离子交换作 用。分为土壤阳离子交换作用和阴离子交 换作用 1 土壤阳离子交换作用 土壤阳离子交换过程： 1.1 吸附 adsorption过程： 离子从溶液中转移到 胶体上的过程，称为离子的 吸附过程 ； 1.2 解吸 desorption过程： 原来吸附在胶体上的 离子转移到溶液中的过程，称为离子的 解吸过程 。 Cation Exchange Capacity - - - - - - - - - - - - - - - - S O I L Ca+2 Mg+2 Al+3 K+ Ca+2 Mg+2 H+ Ca+2 H+ Ca+2 Mg+2 K+ Al+3 Ca+2 H+ Mg+2 H+ Mg+2 Ca+2 K+ Ca+2 Ca+2 Exchangeable Cations Al+3 K H+ Ca Mg+ 2 Reserve Active Active 1.3 阳离子交换作用特点： a.阳离子交换作用 是一种可逆反应 b.阳离子交换作用受质量作用定律支配，而 且 反应迅速 c.阳离子交换作用中离子与离子交换作用是 等量交换 ， 它是等量电荷对等量电荷的 反应。 1.4 阳离子交换能力 是指一种阳离子将胶体 上另一种阳离子交换出来有能力。各种阳 离子交换能力大小的顺序为： Fe3+Al3+H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+ 1.5 影响阳离子交换能力的因素有： a. 电荷的数量 charge number b. 离子半径 ionic radius和离子水化半径 ion hydration radius c. 离子浓度 ionic concentration 2 土壤阳离子交换量（ CEC） 2.1 阳离子交换量 cation exchange capacity（或吸收容量）： 是指在一定 pH 值条件下 ,每 1000g干土所能吸附的全部交 换性阳离子的厘摩尔数（ cmol/kg）。 2.2 影响土壤阳离子交换量因素： a、胶体类型 b、胶体数量 c、土壤 pH值 Structure of Humic Acid R-C00- R-C00- R-C00- R-C00- R-C00- Contributes to high CEC 200 cmol(+)/kg 3 土壤的盐基饱和度 base saturation ratio 3.1 土壤胶体吸附的阳离子分为两类： 一类是 盐基离子 base ion， 包括 Ca2+、 Mg2+、 K+、 Na+、 NH4+等； 另一类是 致酸离子 acid ion， 即 H+、 Al3+。 3.2 盐基饱和度：土壤中交换性盐基离子总 量 cmol/kg占阳离子交换量 cmol/kg的百分数 称为土壤的盐基饱和度，即： 盐基饱和度 base saturation ratio= 交换性 盐基总量 /阳离子交换量 100% 3.3 影响交换性阳离子有效度的因素 a. 交换性阳离子的饱和度 离子饱和度 ：土壤吸附的某离子量占土壤全部阳 离子量的百分数。 b. 陪伴（补）离子效应 accompany ion effect 土壤胶体上同时吸附着多种阳离子，对其中某种 离子来说，其余的各种离子都称为它的陪补离 子 . 4 极限 pH值： 当土壤胶体上吸附的阳离子 全部是致酸离子 ，即 H+、 Al3+时，称为 “ 盐基完全不饱和态 ，此时土壤的 pH 值称为“ 极限 pH值 ”。 三、阴离子 anion的交换吸附 土壤在一般情况下是带负电荷，吸附阳离子；但在强酸性条 件下带正电荷吸附阴离子。 阴离子的交换吸附 是指土壤中带正电荷的胶体吸附的阴离子 与土壤溶液中的阴离子相互交换的作用。 这种交换作用与阳离子交换作用一样，服从质量作用定律， 但土壤中的阴离子往往与化学固定等交织在一起，很难分开。 阴离子吸附类型 a、阴离子吸附受阴离子种类的影响。 易于被土壤吸附的阴离子（磷酸根、 H2PO4-、 HPO42-、 PO43-，硅酸根 HSiO3-、 SiO32-），这 些离子也易与阳离子反应产生难溶性化合物； 磷的固定 phosphorus fixation： 可溶性磷酸根与 土壤胶体上的 Fe3+、 Al3+ 离子结合形成 难溶性 的铁铝磷酸盐，这一过程称为磷的固定。 b、很少或根本不被吸附的阴离子（ Cl-、 NO3-、 NO2-） 这些离子常常出现负吸附； c、介于上述两者之间的阴离子（ SO42-、 CO32-、 HCO3-） 影响土壤对阴离子吸收的因素 a、阴离子吸附的相对次序： 磷酸根 砷酸根 硅 酸根 钼酸根 硫酸根 氯离子 =硝酸根 阴离子的价数 ： Cl- 、 NO3- SO42- PO43- OH- b、胶体组成成分（铁铝氧化物） c、土壤 pH值 :阴离子的吸附量随 pH升高而 下降。 d、外溶液阴离子浓度增加吸附量增多。 四、离子交换在土壤肥力上的意义 土壤阳离子交换量和盐基饱和度在土壤肥力上的意义： （ 1） CEC和盐基饱和度是土壤肥力指标，反应土壤肥力高低。 （ 2） CEC也是土壤类型划分的一个依据。 （ 3） CEC和盐基饱和度和 pH值有一定的定量关系。 （ 4） CEC和盐基饱和度是计算改良酸性土壤时石灰需用量的依据。 复习思考题： 一、名词解释 1、土壤胶体； 2、土壤阳离子交换量； 3、 土壤盐基饱和度； 4、可变电荷； 5、永久 电荷； 6、专性吸附； 7；负吸附 二、无机胶体的主体粘土矿物其来源是什么？ 三、影响阳离子交换量大小的因素有哪些？ 四、何种情况下土壤胶体可带正电荷？ 五、试述土壤离子交换在土壤肥力上的意义。